王長(zhǎng)江

（1 江蘇宇鈦新材料有限公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

（2 江蘇尚吉亨通新材料有限公司 江蘇 南京 210000）

0 引言

鈦合金作為一種低密度高比強(qiáng)度材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)還擁有優(yōu)異的抗蝕性能，因此在航空、航天、汽車(chē)、造船、能源等行業(yè)具有日益廣泛的應(yīng)用前景[1]。鈦產(chǎn)量中約40%（主要是鈦及鈦合金管材）用于化工工業(yè)，如換熱器、反應(yīng)釜和蒸餾塔等[2]。

今年來(lái)，隨著化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，化工行業(yè)如P T A 裝置越來(lái)越多地開(kāi)始使用高性能耐腐蝕鈦管。相比較不銹鋼管而言，鈦合金管強(qiáng)度更高，耐蝕性更強(qiáng)，現(xiàn)階段，目前西方國(guó)家化工裝備已基本完成鈦合金化；制備技術(shù)已比較成熟。主要采用斜軋穿孔+ 冷軋的方法生產(chǎn)純鈦管。采用溫軋技術(shù)生產(chǎn)中高強(qiáng)度鈦合金管。

近幾年國(guó)產(chǎn)化工裝置使用鈦合金管，一開(kāi)始，因?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)的設(shè)備主要由英威達(dá)技術(shù)、BP 技術(shù)等國(guó)外公司總包，較少選用國(guó)產(chǎn)鈦合金。另一方面，國(guó)產(chǎn)焊管性能不穩(wěn)定，薄壁無(wú)縫管制備技術(shù)難度高，化工行業(yè)不得不采用高成本的厚壁無(wú)縫鈦管。目前國(guó)內(nèi)鈦合金薄壁管材的加工方法主要有熱擠壓法、深孔加工法、斜軋穿孔法和板卷圓后焊接法，但這幾種方法生產(chǎn)出來(lái)的鈦合金薄壁管材存在以下問(wèn)題：

熱擠壓法，由于鈦合金變形抗力高，目前只適合小直徑管材的生產(chǎn)，而且由于加工時(shí)變形量大，導(dǎo)致加工薄壁管材時(shí)候，容易出現(xiàn)波紋和裂紋，所以只適合用于厚壁管材的加工，且材料利用率低。

深孔加工法，加工周期長(zhǎng)，材料利用率極低，加工成本高，產(chǎn)品同軸度不好，只適合用于單件或者小批量生產(chǎn)1 毫米厚度以上鈦合金管。

斜軋穿孔法，由于加工時(shí)溫度高，所以得到的產(chǎn)品大多數(shù)為網(wǎng)籃組織（如圖1 所示）或者魏氏組織（如圖2 所示），產(chǎn)品組織差。

板卷圓后焊接法，生產(chǎn)出的薄壁管，表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，不過(guò)焊縫是整個(gè)管子性能比較薄弱的地方，所以生產(chǎn)出來(lái)的薄壁管力學(xué)性極差。

針對(duì)目前薄壁無(wú)縫管加工存在各種問(wèn)題，如組織不佳、力學(xué)性能差、加工成本高、材料利用率低和表面質(zhì)量低等問(wèn)題，急需開(kāi)發(fā)出可以生產(chǎn)出壁厚1 mm 以下、具有優(yōu)異的力學(xué)性能，且成本低的方法。

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)工序進(jìn)行改良和組合，在解決各類質(zhì)量問(wèn)題的基礎(chǔ)上，研發(fā)出一條低成本鈦合金薄壁管材的制備方法。

1 技術(shù)路線

本技術(shù)路線共包含熔煉、鍛造、斜軋穿孔、徑向鍛造、冷軋、機(jī)加工共6 個(gè)主要工序。我們通過(guò)對(duì)這6 個(gè)工序進(jìn)行優(yōu)化和組合，開(kāi)發(fā)了一條低成本高質(zhì)量鈦及鈦合金薄壁管制備路線，如圖2。

熔煉時(shí)，通過(guò)優(yōu)化原材料成分降低了材料的塑性。具體表現(xiàn)為人為提高N、C、O、Al 元素含量，并將其控制在一定的范圍之內(nèi)，顯著提高了鈦合金的再結(jié)晶溫度，從而有助于在徑鍛時(shí)有更充裕的時(shí)間來(lái)改善管件組織[3]；Fe元素含量的降低，減少了鈦合金熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的偏析，從而有利于合金成分的均勻性；且成分的有效控制，更有利于材料在后續(xù)的鍛造過(guò)程中獲得更好的組織[4]。

（如圖2A）熔煉時(shí)，設(shè)計(jì)了特有的四角形狀的電極塊。（如圖2B）兩端直線段的設(shè)計(jì)，使其相對(duì)與其他位置，距離坩堝距離更遠(yuǎn)，便于熔煉時(shí)廢氣的溢出，從而提高熔煉時(shí)成分的均勻性；4 個(gè)尖角有利于電流從尖角處產(chǎn)生火花，從而提高熔煉效率，降低熔煉工序的成本；且電極塊類圓柱的設(shè)計(jì)便于裝夾，如圖3，減少了電極運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，提高了生產(chǎn)效率；本發(fā)明中的電極塊將密度控制在≥3.5 g/cm3，使得電極內(nèi)的空氣量較少，便于控制鈦合金鑄錠成分，減少鑄錠縮孔風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以控制生產(chǎn)成本。

經(jīng)過(guò)熔煉，我們得到直徑600 ～800 mm 的圓柱形鈦及鈦合金鑄錠，保證了產(chǎn)品成分的均勻性。之后第二步的鍛造，通過(guò)高溫降低鈦合金的變形抗力，并經(jīng)過(guò)多次鍛造時(shí)材料產(chǎn)生大的變形，從而破碎其內(nèi)部硬而脆的鑄態(tài)組織，得到魏氏組織或網(wǎng)籃組織，且通過(guò)特有的涂料涂層，有效的防止了工件的氧化，保證了其性能。

第三步是穿孔成型，因?yàn)榇┛讻](méi)有產(chǎn)生大的變形量，所以組織沒(méi)有發(fā)生大的改變，仍然以魏氏組織或網(wǎng)籃組織為主，但通過(guò)特有的子彈式頂頭（如圖4）保證穿孔尺寸的穩(wěn)定性，為后續(xù)加工更薄的管壁提供基礎(chǔ)；我們?cè)O(shè)計(jì)的子彈頭式頂頭具有良好的動(dòng)力學(xué)流線，圓弧段的設(shè)計(jì)保證了頂頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其在穿孔過(guò)程中更順暢，排料刃的設(shè)計(jì)保證了頂頭良好的排開(kāi)金屬材料的能力以及良好的穿透性，潤(rùn)滑劑存放槽的設(shè)計(jì)保證了頂頭良好的尺寸，其相比如傳統(tǒng)的頂頭，穿孔受到的助力小，從而能夠快速穩(wěn)定的進(jìn)行穿孔，保證穿孔尺寸的穩(wěn)定性，為后續(xù)的管材薄壁加工提供基礎(chǔ)，且提高了穿孔效率。

第四步通過(guò)特有的錘頭進(jìn)行徑向鍛造，通過(guò)對(duì)錘頭的分段設(shè)計(jì)，如圖5，相比較傳統(tǒng)錘頭加工方式而言增加了鍛成斜面和錘頭頂部水平的過(guò)程，因此，增加了變形次數(shù)，從而可以損壞長(zhǎng)條狀的網(wǎng)籃組織或魏氏組織，得到短小的雙態(tài)組織或等軸組織；由此得到組織好的鈦合金管，其力學(xué)性能好，在進(jìn)一步的冷軋機(jī)加工過(guò)程中，不會(huì)因?yàn)榧庸さ礁〉墓鼙诙a(chǎn)生破裂，從而可以加工到0.3 mm 甚至具有更薄管壁的鈦合金薄壁管材。

第五步通過(guò)冷軋，得到成分、組織和力學(xué)性能均滿足要求的厚壁管材。

最后一步冷軋機(jī)加工，通過(guò)特有的夾具，如圖6。在機(jī)械加工領(lǐng)域，薄壁管材加工一直是個(gè)難題，當(dāng)夾緊力太小時(shí)，工件容易振動(dòng)，加工尺寸無(wú)法保證；當(dāng)夾緊力太大時(shí)，工件容易變形。鈦合金材質(zhì)的彈性模量低，鈦合金管的已加工表面容易產(chǎn)生回彈，特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴(yán)重，刀具磨損易崩刃；為此，急需一款能夠適用于鈦合金薄壁管的加工夾具。針對(duì)上述問(wèn)題，一種高直線度薄壁鈦合金管材的加工用具（見(jiàn)圖6），其使得薄壁管緊密貼合支撐板所形成的等效外環(huán)面，確保薄壁零件不會(huì)回彈，確保了加工精度，且保證了合理的夾持力。

在機(jī)加時(shí)，通過(guò)兩個(gè)夾頭將鈦合金管件夾緊，并壓縮管子內(nèi)部的彈性橡膠，彈性橡膠兩端受力壓縮，其直徑變大，從而頂住鈦合金管的內(nèi)壁，由此，鈦合金管的兩端和內(nèi)壁同時(shí)受到夾頭彈性橡膠的壓力，三者形成一個(gè)整體，相當(dāng)于實(shí)心棒材。便于加工；且因夾頭和管子是線接觸，橡膠和管子是面接觸，鈦合金管件不會(huì)因?yàn)檠b夾產(chǎn)生變形，管子內(nèi)壁被橡膠填滿，受車(chē)刀切削時(shí)，不會(huì)再震動(dòng)，從而保證尺寸公差和表面質(zhì)量，有利于加工出更薄壁厚的管件；另一方面，機(jī)加采用的具有曲線形刀刃的車(chē)刀，并采用螺旋曲線走刀，擺線加工的方式，也進(jìn)一步防止了加工時(shí)工件的震動(dòng)；由此，也可以更便于加工出更薄的管壁。

2 生產(chǎn)工藝（以TC4管材為例）

本論文向大家描述了一種鈦及鈦合金薄壁管材的制備技術(shù)，現(xiàn)以TC4 合金薄壁管材的制備為例，向大家詳細(xì)論述加工工藝。

2.1 熔煉（S1）

根據(jù)TC4 合金成分的國(guó)標(biāo)要求（表1），計(jì)算各組分的含量控制范圍，控制范圍的下限值為：A+（1-0.3）*（B-A），其中A 為元素國(guó)標(biāo)范圍下差，B 為元素國(guó)標(biāo)范圍上差，控制范圍的上限值即為B；根據(jù)公式，本實(shí)施例的成分控制范圍經(jīng)計(jì)算得：Al 控制在6.5%～6.75%，C 控制在0.064%～0.08%，O 控制在0.16%～0.2%，N 控制在0.04%～0.05%，F(xiàn)e 控制在0%～0.13%，根據(jù)各成分含量計(jì)算并選取對(duì)應(yīng)數(shù)量的海綿鈦、鋁豆、釩鋁合金、釩鋁合金、釩鐵合金、二氧化鈦，將原料混合后壓成多個(gè)具有獨(dú)特四角形狀的電極塊（如圖1），便于引起電弧，并將12 ～15 個(gè)電極塊焊接成圓柱體（如圖2），每層4 到6 個(gè)焊點(diǎn)，選用3T 以上的自耗爐進(jìn)行熔煉，需經(jīng)過(guò)三次熔煉，第二次和第三次熔煉選用爐內(nèi)焊接，熔煉電流均為8 ～12 kA，熔煉結(jié)束后，需切除錠子底部100 ～150 mm 的冒口，并將錠子扒皮，得到?505，長(zhǎng)度1 250 mm 的TC4 合金錠子。

表1 TC4 成分國(guó)標(biāo)要求

2.2 鍛造（S2）

在上步驟S1 所得的鈦合金錠子噴涂配置的涂料，涂 料 成 分 為：40% ～50% SiO2，1% ～5% Al2O3，10% ～25% B2O3，20%～25% Na2O，5%～10% CaO。涂料厚度為0.2～0.4 mm，以防止工件氧化，之后采用1 600 T 以上噸位快鍛機(jī)對(duì)其進(jìn)行5 次鍛造：（1）火，（2）火，（3）火為開(kāi)坯鍛造，（4）火為改鍛，（5）火為成品鍛，最終得到鈦合金粗坯件：（1）火溫度為1150℃，（2）火和火溫度為1 100 ℃，（3）火溫度為960 ℃，（4）5 火溫度為950 ℃。（1）每火次的變形量控制在80%；（2）每火次和每火次變形量控制在75%；（3）每火次變形量控制在60%；（4）每火次變形量控制在40%，控制每次鍛造完，均需要利用打磨去除鍛造表面缺陷，最終得到?340的TC4 合金粗坯件。

2.3 斜軋穿孔（S3）

對(duì)步驟S2 鍛造得到的TC4 合金粗坯件采用1 200 ～1 400 KW 的感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱，并將其加熱至1 000 ℃，再選用具有特定設(shè)計(jì)的子彈頭式頂頭的斜軋穿孔機(jī)對(duì)TC4合金管粗坯件進(jìn)行穿孔，穿孔后的壁厚為20 mm，且對(duì)所述TC4 合金管粗坯件的內(nèi)外表面進(jìn)行修磨拋光，并對(duì)TC4合金管的第一端外壁進(jìn)行30°～45°的倒角處理，得到TC4 合金管坯[5]。

子彈頭式頂頭具有較好的動(dòng)力學(xué)流線，穿孔受到的阻力小，不易左右搖擺從而影響穿孔尺寸的穩(wěn)定性。

2.4 徑向鍛造（S4）

將步驟S3 穿孔后的鈦合金管坯置于900 ～1 200 KW的臥式感應(yīng)加熱爐中，并將其加熱至950 ℃，使用機(jī)械手在感應(yīng)加熱爐和徑向鍛造機(jī)之間傳遞TC4 合金管坯，并使用四錘頭的徑向鍛造機(jī)對(duì)TC4 合金管坯件進(jìn)行鍛造，管坯鍛造時(shí)，需要使用天然氣對(duì)TC4 合金管坯件加熱補(bǔ)熱；其中，本實(shí)施例中的四錘頭之間相互成90°，每個(gè)錘頭的壓力為800 ～1 200 t，錘頭的錘擊頻率為200 ～300次/min；鈦合金管坯的變形量為30%～40%，鍛造后得到?280 壁厚為6 mms 的TC4 合金管坯。

增加了幾個(gè)直線段的工作區(qū)域，相比較傳統(tǒng)錘頭加工方式而言增加了鍛造錘頭斜面的過(guò)程，最后再被錘頭頂鍛成水平面的過(guò)程，增加了變形次數(shù)，利于將網(wǎng)籃組織改變成等軸或雙態(tài)組織。

2.5 冷軋（S5）

將步驟S4 處理后的TC4 合金管坯件采用軋機(jī)進(jìn)行6個(gè)道次冷軋，冷軋后得到?240.7 mm 壁厚為1 mm 的TC4 合金管坯件；其中，前4 個(gè)道次采用兩棍冷軋機(jī)，且TC4 合金管的外徑的控制在±0.50 mm 的公差范圍內(nèi)，壁厚的控制在±0.30 mm 的公差范圍內(nèi)，后2 個(gè)道次采用三棍冷軋機(jī)，每道次控制TC4 合金管坯的變形量為10%，每道次的送進(jìn)量為2 mm/次，軋制速度為30 次/min，每道次后的工件均進(jìn)行處理后再進(jìn)行下一道次的冷軋。

所述每道次的處理工藝為：將每道次后的工件去除表面油污，再進(jìn)行退火處理，退火溫度為750 ℃；之后采用氫氟酸和硝酸的混合液對(duì)其進(jìn)行酸洗，其中，氫氟酸的所占質(zhì)量百分比為5%～12%，硝酸所占質(zhì)量百分比為10%～20%，混合液的溫度為40 ～60 ℃；再對(duì)酸洗后的工件進(jìn)行矯直、表面修磨拋光以及對(duì)鈦合金管的第一端外壁進(jìn)行30°～45°的倒角處理。

2.6 機(jī)加工（S6）

采用以上的防振夾具對(duì)冷軋?zhí)幚砗骉C4 合金管坯件進(jìn)行裝夾，利用數(shù)控車(chē)床對(duì)所述鈦合金管件進(jìn)行粗加工，采用大圓弧角的刀具，并使用螺旋曲線走刀的方式，對(duì)冷軋后的鈦合金管件進(jìn)行擺線加工，至管件外徑?240.55 mm；再使用無(wú)心磨床對(duì)其進(jìn)行精加工至管件外徑?240±0.05 mm，得到管壁0.3 mm 的TC4 合金薄壁管材。

3 樣件檢測(cè)結(jié)果

3.1 力學(xué)性能檢測(cè)

通過(guò)250 t 的島津拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)產(chǎn)品拉伸試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。經(jīng)過(guò)多次取樣，最終實(shí)測(cè)產(chǎn)品力學(xué)性能如表2 所示。

表2 TC4 管力學(xué)性能

3.2 金相檢測(cè)

通過(guò)蔡氏金相顯微鏡，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果顯示產(chǎn)品組織為等軸或雙態(tài)組織，如圖7 所示。

3.3 尺寸檢測(cè)

對(duì)產(chǎn)品的直徑、壁厚和長(zhǎng)度進(jìn)行尺寸檢測(cè)，產(chǎn)品的直徑公差在0.05 mm 之內(nèi)，壁厚公差在0.05 之內(nèi)，長(zhǎng)度公差在0.2 之內(nèi)。

3.4 表面質(zhì)量檢測(cè)

通過(guò)表面粗糙度比較樣塊，測(cè)量得到產(chǎn)品粗糙度為Ra1.6。

4 結(jié)論

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果，我們分析得知，通過(guò)這種方式制備的鈦及鈦合金薄壁管材，組織和力學(xué)性能較“斜軋穿孔法”制備的管材更優(yōu)秀，成本和材料利用率較“擠壓法”和“深孔加工法”更低，相比較以上三種方法，本方法可制備出壁厚更薄、表面質(zhì)量更高的管材。本工藝經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和批量生產(chǎn)驗(yàn)證，生產(chǎn)穩(wěn)定性好，生產(chǎn)效率高。本工藝涉及的工藝路線皆采用傳統(tǒng)設(shè)備和加工方法，不過(guò)做了一些有效的改良[4]。熔煉時(shí)，不再按照國(guó)標(biāo)公差中值進(jìn)行成分配比，而是在公差范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，并且設(shè)計(jì)了特殊外形的高密度電極塊外觀。通過(guò)以上措施有效降低了材料的塑性，減少鑄錠縮孔風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以控制生產(chǎn)成本，減少了鈦合金熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的偏析，利于合金成分的均勻性，更有利于材料在后續(xù)的鍛造過(guò)程中獲得更好的組織；鍛造時(shí)，在表面涂覆了特定成分涂料，有效避免工件氧化，同時(shí)優(yōu)化了鍛造工藝，不再在該工序追求優(yōu)秀的組織，而是側(cè)重為后續(xù)斜軋穿孔工藝做組織準(zhǔn)備。通過(guò)設(shè)計(jì)新斜軋穿孔頂頭、徑向鍛造錘頭和機(jī)加工用夾具，讓斜軋穿孔時(shí)效率更高、徑向鍛造時(shí)候組織更優(yōu)秀、機(jī)加工時(shí)尺寸精度更高且表面質(zhì)量更好。這個(gè)工藝路線較長(zhǎng)、雖然采用的都是低成本工序，不過(guò)質(zhì)量管控的難度高，加工周期偏長(zhǎng)，這將在以后的研發(fā)中逐步得到解決。