余 伟， 董恩涛，蔡庆伍

(北京科技大学 高效轧制国家工程研究中心,北京 100083)



热穿轧工艺制备大口径TC4钛合金无缝管

余 伟， 董恩涛，蔡庆伍

(北京科技大学 高效轧制国家工程研究中心,北京 100083)

采用热穿轧工艺试制大口径TC4钛合金无缝管，测试分析了试制的φ160 mm×8 mm TC4钛合金无缝管的加工精度、表面质量、显微组织与力学性能。结果表明：热穿轧TC4钛合金无缝管的表面质量、尺寸精度和力学性能均合格；管材的加工态组织主要由变形魏氏组织和少量网篮状组织构成，其冲击韧性好，延伸率达到16%以上，无需热处理就可进行冷轧加工，以获得更高精度和表面质量的钛合金无缝管；热穿轧工艺可用来制备大口径TC4钛合金无缝管，具有金属利用率高、流程短、能耗低等优点，能够满足工业生产要求。

TC4钛合金；热穿轧；大口径无缝管；显微组织；力学性能

0 引 言

钛及钛合金具有密度小、比强度高、高温性能好和耐腐蚀性能优良等特点，广泛应用于航空航天、汽车、化工和船舶等领域[1-3]。TC4钛合金是应用最广泛的钛合金，占钛合金总用量的50%。

近年来，高压高温油井不断涌现，致使勘探开发难度增大，所处条件可能超出许多耐蚀合金(如镍基合金)长期顺利运行的能力范围，而大口径钛合金管作为镍基合金油管的补充和替代产品，其研究和应用成为目前高压高温井选材和腐蚀控制最热门的课题。

相对钛合金板材、棒材加工，钛合金管材加工由于材料变形过程温度范围窄和变形抗力高等原因导致工序复杂、生产周期长、加工难度大、成品率低[4-6]。对于大口径高强TC4钛合金无缝管，通常采用挤压-机加工、挤压-冷轧-退火等工艺，挤压坯多为机加工的空心坯，降低了成材率。此外，采用热挤压-机加工工艺制备的钛合金管通常还要经过热处理才能保证力学性能[7-8]；采用挤压-冷轧-退火工艺，还需要对挤压管材进行机械加工或酸洗和清洗处理方可冷轧，且其冷变形能力差，管材加工成形难度大，往往需要多个冷轧工序，因而效率低、能耗高。因此，采用热穿轧方法试制大口径TC4钛合金无缝管，并对组织及性能进行了表征，旨在为更经济、更高效地生产大口径TC4钛合金无缝管提供参考。

1 实 验

1.1 实验材料

实验材料为采用真空电弧炉熔炼的TC4钛合金铸锭。铸锭经锻造开坯后，机加工得到φ180 mm的圆坯，其化学成分见表1。

1.2 管材加工工艺

穿孔设备为两辊锥形斜轧穿孔机，轧制设备为三辊斜轧机。热穿轧工艺过程：加热 → 斜轧穿孔→ 管壁特殊处理 → 三辊斜轧 → 加热 → 减径→ 定径 → 预矫直 → 冷却 → 矫直 →管端切割→表面处理。轧制时采用防氧化涂层，并采用硼砂和石墨作为固体润滑剂。成品为φ160 mm×8 mm TC4钛合金无缝管。

表1 TC4钛合金圆坯化学成分(w/%)

1.3 性能检测

将热穿轧管沿纵向切取并加工成圆柱形拉伸试样，在CMT5105万能试验机上进行室温拉伸性能测试。截取尺寸为 7.5 mm×10 mm×55 mm 横向冲击试样，在摆锤冲击试验机上测试冲击功。利用Quanta FEG 450 扫描电镜进行冲击断口形貌观察。在管壁上沿纵向取金相试样，经研磨、抛光后，采用5%HF+10%HNO3的水溶液腐蚀，利用光学显微镜观察管壁外表面、中部及内表面处的金相组织。

2 结果与分析

2.1 尺寸精度与表面质量

表2给出了热穿轧法制备的TC4钛合金无缝管的尺寸精度与表面质量。可以看出，管材表面质量良好，尺寸精度高。

钛的热摩擦系数大，且在高温时与其他材料有很强的亲和力，因此传统工艺中穿孔时坯料受导板反向压力的作用，在滑动摩擦条件下钛合金材料很容易粘附在导板上，造成管坯缺陷严重。

表2 TC4钛合金无缝管的尺寸精度与表面质量

图1为TC4钛合金无缝管热穿轧现场及管材外观照片。由于本工艺采用的是锥形穿孔机，在穿孔过程中，管体的外表面与轧制工具间主要是滚动摩擦，因此管材表面无明显缺陷。另外，锥形穿孔机的轧辊直径沿穿孔变形区是逐渐增加的，因此，在很大程度上减少了管坯变形过程中的切向剪切应力，抑制旋转横锻效应，改善了毛管表面质量，使得钛合金管坯可以在这种轧机上顺利轧制，且辊身具有较长的均整精轧段，提高了毛管的重轧系数，极大改善了毛管的壁厚精度。经三辊斜轧机轧制的减壁率可以达40%以上，壁厚精度高，延伸系数可达2左右，能保证金属变形均匀性和壁厚精度。定减径之前的再加热工序可解决管材温降造成的变形抗力过大的问题。此外，采取多道矫直工艺，能有效控制TC4钛合金管材弯曲等现象，直线度较好，降低钛合金管废品率。矫直之后，对TC4钛合金管材表面产生的氧化皮、内折叠缺陷和吸氧层进行机械研磨和酸洗处理，处理后表面质量良好，如图 1c 所示。

图1 TC4钛合金无缝管热穿轧现场及管材外观照片Fig.1 The process of hot piercing-rolling and surface morphologies of TC4 alloy tube

2.2 显微组织

热穿轧后的TC4钛合金管壁不同部位的金相照片见图2。从图中可以看到明显的加工流线，组织主要为变形魏氏组织，另有少量网篮状组织，在晶界周围分布着部分集束为羽毛状的初生α相。对比三个位置的组织可以看出，外层组织由于比中部和内层组织β晶粒变形破碎充分，所以组织相对细小。由于热穿轧时变形量大，β晶粒尺寸与坯料的初始组织相比较为细小，β晶界较窄，晶内块状α相少，这种组织不会影响管材的综合性能[9]，所以热穿轧管无须经热处理就可满足进一步冷加工的要求。

图2 热穿轧TC4钛合金管壁不同部位的金相照片Fig.2 Microstructures of hot piercing-rolling TC4 alloy tubes at different positions

图3为TC4钛合金坯料及热穿轧无缝管横截面金相照片。从图中可以看出，采取有效的表面抗氧化处理和加热制度后，坯料的吸氧层可控制在200 μm左右，见图3a；而热穿轧无缝管经表面处理后，管内外壁几乎没有吸氧层，见图3b、c。

图3 TC4钛合金坯料及热穿轧管横截面金相照片Fig.3 Cross-section surface morphologies of billet and tube of TC4 titanium alloy

2.3 力学性能

采用热穿轧工艺加工的大口径TC4钛合金管的力学性能见表3。管材屈服强度都在785 MPa以上，抗拉强度在 885 MPa以上，延伸率达到16%以上，力学性能优良，可以满足后续冷加工要求。实验所测非标试样(尺寸为7.5 mm×10 mm×55 mm)的冲击功为43.4 J和43.9 J，折算为10 mm×10 mm×55 mm标准试样的冲击功可达55 J以上，与经复杂热处理的TC4钛合金所获得的高韧性接近[10]。高的冲击功可能与热穿轧后 TC4 钛合金无缝管的组织有关。

表3 φ160 mm×8 mm TC4钛合金热穿轧管的室温力学性能

2.4 冲击断口

图4为热穿轧TC4钛合金管冲击试样断口的SEM照片。从图中可以看出，断口由大量韧窝及少量断面起伏的准解理面组成，在大韧窝周围密集分布着小韧窝，大韧窝尺度与转变β相晶粒尺寸相近。热穿轧管通过细化β相晶粒尺寸、改变α+β组织形态提高韧性，这与图2金相组织和表3冲击韧性结果一致。

图4 TC4钛合金热穿轧管冲击试样断口形貌Fig.4 SEM fractographs of hot piercing-rolling TC4 titanium alloy tube

2.5 工艺特点

采用热穿轧工艺生产φ160 mm×8 mm的TC4钛合金无缝管，外径壁厚比达20，单根钛合金管的长度可达12 m，而传统的工艺所能生产的钛合金管长多在10 m以内，具有明显优势。由于防氧化层的保护和加热工艺控制，除少量热烧损和头尾需切除外，在坯料准备和变形过程中几乎无损耗。此外，为了控制钛管轧制过程中的温降，斜轧生产节奏较快(从一支管开始轧制到下一支管开始轧制间隔时间为60～70 s)。与传统工艺相比，能耗大幅降低，且能够保证产品的组织性能。

3 结 论

(1)采用热穿轧工艺制备出φ160 mm×8 mm大口径TC4钛合金无缝管，其表面质量、尺寸精度和力学性能合格。

(2)热穿轧TC4钛合金无缝管的加工态组织主要由变形魏氏组织和少量网篮状组织构成，其冲击韧性好，延伸率达到16%以上，无需热处理就可进行冷轧加工，以获得更高精度和表面质量的钛合金无缝管。

(3)热穿轧工艺可用来制备大口径TC4钛合金无缝管，具有金属利用率高、流程短和能耗低等优点，能够满足工业生产要求。

[1]Gorynin I V.Titanium alloys for marine application[J].Materials Science and Engineering A,1999,263(2): 112-116.

[2]李梁,孙健科,孟祥军.钛合金的应用现状及发展前景[J].钛工业进展,2004,21(5): 19-24.

[3]赵永庆,周伟,李辉.高温钛合金研究[J].钛工业进展,2001,18(1):33-36.

[4]吕祥鸿,舒滢,赵国仙，等.钛合金石油管材的研究和应用进展[J].稀有金属材料与工程,2014，43(6): 1518-1524.

[5]朱康平,杨亚社,席锦会.Q值及变形量对中强钛合金冷轧管材表面质量的影响[J].钛工业进展,2012,29(4):31-34.

[6]罗皎,李淼泉,李宏,等.TC4钛合金高温变形行为及其流动应力模型[J].中国有色金属学报,2008,18(8): 1395-1401.

[7]Kwietniewski C,dos Santos J F,Silva A A M,et al.Effect of plastic deformation on the toughness behaviour of radial friction welds in Ti-6Al-4V-0.1Ru titanium alloy[J].Materials Science and Engineering A,2006,417(1): 49-55.

[8]杨建军,李宝霞,代春,等.热处理对挤压成形TC18钛合金管材组织和性能的影响[J].钛工业进展,2015,32(4):22-24.

[9]李永林,袁红军,朱宝辉,等.TA18钛合金斜轧管坯组织与性能研究[J].钛工业进展,2014,31(5):23-27.

[10]刘建强.TC4 钛合金的显微组织及其抗冲击韧性[J].热加工工艺,2013,42(12): 63-66.

Study on Hot Piercing and Rolling of TC4 Titanium Alloy Seamless Tube with Large Diameter

Yu Wei,Dong Entao,Cai Qingwu

(National Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

TC4 titanium alloy seamless tube with large diameter was produced by hot piercing and rolling process. The size precise,surface quality, microstructure and mechanical properties ofφ160 mm×8 mm TC4 titanium alloy seamless tube were tested and analyzed. Results show that the surface quality, size precise and mechanical properties all can meet the requirements. The microstructure is composed of widmanstatten structure and basket shaped structure. The impact toughness is good, and the elongation can reach 16%. The seamless tube with large diameter can be produced by cold rolling without heat treatment. The whole process can meet the requirements of industrial production with high utilization of metal, short process and low energy consumption.

TC4 titanium alloy；hot piercing and rolling；seamless tube with large diameter; microstructure; mechanical properties

2016-01-10

董恩涛(1989—)，男，博士研究生。

TG337.6

A

1009-9964(2016)04-0036-04