CN105112722A - 高强高韧钛合金管及其生产方法 - Google Patents

高强高韧钛合金管及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强高韧钛合金管,所述钛合金管成分重量百分比为:Al:6.0-7.5%,Mo:1.5-2.5%,Sn:0.5-1.0%,V:2.5-4%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti。同时提供一种高强高韧钛合金管的生产方法。有益效果是该方法通过对坯料进行大变形量、多火次反复镦拔,使铸锭原始的粗大铸态组织得到充分破碎,组织均匀细化,以及冷轧中采用热处理等手段改善钛合金管的性能。该方法制造的钛合金管强度高韧性好,屈服强度>780Mpa,冲击韧性>23J(0℃,V口,10×5mm),延伸率>15%。

Description

高强高韧钛合金管及其生产方法
技术领域
本发明涉及钛合金管及其生产方法,具体地说是一种高强高韧钛合金管及其生产方法。
背景技术
钛合金具有高比强度、高比模量、耐腐蚀等一系列优点,但是其冲击韧性较低,妨碍了其应用。例如常用的Ti-6Al-4V其典型性能为:抗拉强度900-1050MPa,屈服强度750-900MPa,冲击韧性(0℃,V口,10×5mm)只有15-20J,已经不能满足发展的需要。高强高韧钛合金管是钛合金的发展的主要方向之一。
另外,钛合金具有高强度、难变形、加工成形难度极大等特点,造成了钛合金管的研制和加工技术难度大,高强高韧的钛合金管生产难度更大。目前高强高韧性钛合金以及钛合金管的生产工艺在国内尚属空白,是急需解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的提供一种高强高韧钛合金管及其生产方法,此方法生产的钛合金管强度高,韧性好,且成材率高损耗小。用上述方法生产的钛合金管其性能可以达到屈服强度>780Mpa,冲击韧性>23J(0℃,V口,10×5mm),延伸率>15%。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是提供一种高强高韧钛合金管,其中:所述钛合金管成分重量百分比为:Al:6.0-7.5%,Mo:1.5-2.5%,Sn:0.5-1.0%,V:2.5-4%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti。同时提供一种高强高韧钛合金管的制造方法。
本发明的有益效果:
1.强度高韧性好。本发明的钛合金油井管力学性能可以达到:屈服强度>780Mpa,冲击韧性>23J(0℃,V口,10×5mm),延伸率>15%。其韧性要远远超过同等强度的TC4管。
2.金属内部组织好。因为管材成型变形量有限,为保证管材组织性能良好,需要棒材的组织足够细化。铸锭成型到棒材变形量有限,铸锭原始的粗大组织对于材料的性能十分不利,本发明通过对坯料进行大变形量、多火次反复镦拔,使铸锭原始的粗大铸态组织得到充分破碎。在冷却过程中,发生β→α+β相变,在一个原始β晶粒内形成若干个α集束,每个α集束由许多平行的片状α相组成。完成开坯后又采用相变点以下温度通过锻造成型,对这种片状组织进行破碎。从而保证棒材的组织均匀细化,强度高韧性
3.成材率高,质量好,性能优。热轧方式生产的钛合金管其内外表面存在渗气层,所以内外表面质量差,缺陷多。本发明采用冷轧,产品表面质量好,光洁度高,尺寸精。同时避免了采用棒材掏孔管工艺存在材料利用率的问题,成材率高。
附图说明
图1为本发明钛合金管锻坯的金相组织;
图2为本发明实例1钛合金管的金相组织;
图3为本发明实例2钛合金管的金相组织。
具体实施方式
结合实施例对本发明的高强高韧钛合金管及其制造方法加以说明,但并不局限于对本发明保护范围的限制。
本发明的技术方案是提供一种高强高韧钛合金管,所述钛合金管成分重量百分比为:Al:6.0-7.5%,Mo:1.5-2.5%,Sn:0.5-1.0%,V:2.5-4%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti。同时提供一种高强高韧钛合金管的制造方法。
本发明生产高强高韧钛合金管的方法包括以下步骤:
(1)冶炼:原料采用1级优质海绵钛,冶炼形成成分按重量百分比为:Al:6.0-7.5%,Mo:1.5-2.5%,Sn:0.5-1.0%,V:2.5-4%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti,采用真空自耗电弧炉熔炼三次,得到Ф640mm的铸锭;
(2)锻造:在1040℃-1060℃开坯将铸锭由圆坯改锻成方坯,然后进行4-8火次锻造,锻造变形量为26%-96%,最后在880℃-890℃温度下拔长得到Ф190mm的锻棒圆坯;
(3)热挤压:将锻造的圆坯,通过热挤压的方法获得Ф115mm×11.5mm管坯;
(4)冷轧:将上述管坯在冷轧机上经过2-4道次冷轧,得到Ф88.9mm×7.34mm成品管;冷轧每轧制一个道次进行一次热处理,热处理温度900-950℃,保温60min,出炉后空冷至室温,加热设备采用天然气辊底炉,成品管两端内部堵保温棉以减少氧化。
(5)热处理:热处理温度870℃-910℃,保温10分钟,然后升温到920℃-950℃,保温40-60分钟,出炉后对成品管进行滚动,以提高管材的直线度,空冷至室温。
熔炼铸锭所用的原料直接影响到铸锭的化学成分是否满足要求,如果海绵钛级别较低,则会导致合金的杂志元素含量超标。考虑到管材成型所采用的热加工工艺可能造成冲击等部分材料性能下降,因此需要棒材在满足强度要求的同时具有尽量高的冲击韧性。因此需要选用一级海绵钛,采用真空自耗电弧炉熔炼三次,以保证成分均匀,满足要求。
开坯将铸锭由圆坯改锻成方坯,然后进行4-8火次锻造,锻造变形量为26%-96%,铸锭成型到棒材变形量有限,要使其原始的粗大铸态组织得到充分破碎,就需要对坯料进行大变形量、多火次反复镦拔,从而保证棒材的组织均匀细化,。如果棒材的镦拔火次少,组织粗大不均匀,则在后续的长时间加热过程中组织晶粒会迅速长大,直接影响管材的组织、性能及其均匀性。
实施例1
(1)冶炼:原料采用1级优质海绵钛,以控制铸锭中杂质元素含量,采用真空自耗电弧炉熔炼三次,保证铸锭成分均匀,熔炼成Φ640mm×700mm的铸锭。铸锭各成分的重量百分比为:
Al:6.0%,Mo:2.5%,Sn:0.5%,V:4%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti。
(2)锻造:1040℃开坯锻造将铸锭由圆坯改锻成方坯,然后对方坯多火次锻造。1000℃锻造1火次,镦拔变形量分别为26%和35%。950℃锻造3火次,镦拔变形量分别为26%和96%。最后890℃拔长得到Ф150mm×2750mm的锻棒圆坯。
(3)热挤压:将锻造的圆坯,通过热挤压的方法获得Ф115mm×11.5mm管坯。
(4)冷轧:将上述管坯在冷轧机上经过2道次冷轧,得到Ф88.9mm×7.34mm成品管。两道次轧制中间进行热处理。热处理制度:900℃,保温60min,出炉空冷到室温。加热设备采用天然气辊底炉,管材两端内部堵保温棉减少氧化。
(5)热处理:热处理温度870℃保温10分钟,然后升温到920℃,保温50分钟,出炉空冷。出炉后对管材进行滚动以提高管材的直线度。
该实施例得到的锻坯金相组织照片如图1所示,钛合金成品管金相组织照片如图2所示,该钛合金管可以达到以下指标:
屈服强度800MPa;抗拉强度890MPa;延伸率17%;冲击功26J(10×5mm,0℃,V口)。
实施例2
(1)冶炼:原料采用1级优质海绵钛,以控制铸锭中杂质元素含量,采用真空自耗电弧炉熔炼三次,保证铸锭成分均匀。熔炼成Φ640mm×700mm的铸锭。铸锭各成分的重量百分比为:
Al:7.5%,Mo:1.5%,Sn:1.0%,V:2.5%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti。
(2)锻造:1060℃开坯锻造将铸锭由圆坯改锻成方坯,然后对方坯多火次锻造。1000℃锻造2火次,镦拔变形量分别为26%和35%。950℃锻造4火次,镦拔变形量分别为26%和96%。最后880℃拔长得到Ф150mm×2750mm的锻棒。
(3)热挤压:将锻造的圆坯,通过热挤压的方法获得Ф115mm×11.5mm管坯。
(4)冷轧:将上述管坯在冷轧机上经过4道次冷轧,得到Ф88.9mm×7.34mm成品管。每道次轧制中间进行热处理。热处理制度:950℃,保温60min,出炉空冷到室温。加热设备采用天然气辊底炉,管材两端内部堵保温棉减少氧化。
(5)热处理:热处理温度910℃保温10分钟,然后升温到940℃,保温50分钟,出炉空冷。出炉后对管材进行滚动以提高管材的直线度。
该实施例得到的钛合金成品管金相组织照片如图2所示,该钛合金管可以达到以下指标:
屈服强度790MPa;抗拉强度880MPa;延伸率18%;冲击功26J(10×5mm,0℃,V口)。
对比例1
(1)冶炼:原料采用1级优质海绵钛,以控制铸锭中杂质元素含量,采用真空自耗电弧炉熔炼三次,保证铸锭成分均匀。熔炼成Φ640mm×700mm的铸锭。铸锭各成分的重量百分比为:Al:5.5%,Mo:2.6%,Sn:1.2%,V:2%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti。
生产工艺参照实施例1。
该实施例得到的钛合金管可以达到以下指标:
屈服强度800MPa;抗拉强度910MPa;延伸率17%;冲击功12J(0℃,V口,10×5mm)。
对比例2
(1)冶炼:原料采用1级优质海绵钛,以控制铸锭中杂质元素含量,采用真空自耗电弧炉熔炼三次,保证铸锭成分均匀。熔炼成Φ640×700mm的铸锭。铸锭各成分的重量百分比为:化学成分如下:Al:8%,Mo:1.2%,Sn:0.4%,V:4.5%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti。
生产工艺参照实施例1。
该实施例得到的钛合金管可以达到以下指标:
屈服强度650MPa;抗拉强度749MPa;延伸率19%;冲击功19J(0℃,V口,10×5mm)。
本发明实例、对比例及国内外其他相近钢级钛合金管的化学成分对比见表1。
表1
表2为本发明实施例与对比例钛合金力学性能的比较。可以看出本发明实施例钛合金锻坯与其他钛合金相比,强韧性匹配好。
表2

Claims (4)

1.一种高强高韧钛合金管,其特征是:所述钛合金管成分重量百分比为:Al:6.0-7.5%,Mo:1.5-2.5%,Sn:0.5-1.0%,V:2.5-4%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti。
2.权利要求1要求的高强高韧钛合金管的生产方法,该方法包括以下步骤:
(1)冶炼:原料采用1级优质海绵钛,冶炼形成成分按重量百分比为:Al:6.0-7.5%,Mo:1.5-2.5%,Sn:0.5-1.0%,V:2.5-4%,Fe:<0.08%,Si:<0.08%,C:<0.05%,N:<0.02%,H:<0.005%,O:<0.10%,余量为Ti,采用真空自耗电弧炉熔炼三次,得到Ф640mm的铸锭;
(2)锻造:在1040℃-1060℃开坯将铸锭由圆坯改锻成方坯,然后进行4-8火次锻造,锻造变形量为26%-96%,最后在880℃-890℃温度下拔长得到Ф190mm的锻棒圆坯;
(3)热挤压:将锻造的圆坯,通过热挤压的方法获得Ф115mm×11.5mm管坯;
(4)冷轧:将上述管坯在冷轧机上经过2-4道次冷轧,得到Ф88.9mm×7.34mm成品管;
(5)热处理:热处理温度870℃-910℃,保温10分钟,然后升温到920℃-950℃,保温40-60分钟,出炉后对成品管进行滚动,以提高管材的直线度,空冷至室温。
3.根据权利要求2所述的生产方法,其特征是:冷轧每轧制一个道次进行一次热处理,热处理温度900-950℃,保温60min,出炉后空冷至室温,加热设备采用天然气辊底炉,成品管两端内部堵保温棉以减少氧化。
4.根据权利要求1或2所述高强高韧钛合金管及生产方法,其特征是;所述高强高韧钛合金管力学性能达到:屈服强度>780Mpa,冲击韧性>23J(0℃,V口,10×5mm),延伸率>15%。
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