CN109794523A - 一种波形界面钢-钛复合管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波形界面钢‑钛复合管的制备方法，属于双金属复合管材技术领域，解决现有扩散复合法存在界面洁净度低、界面平直，使得复合界面强度低、成型性能差的技术问题。该方法包括以下步骤：S1.将钢管内表面和钛管外表面加工成凸型环状或双面环状螺旋波纹槽道；S2.清理钢管和钛管表面杂质和氧化物；S3.将钛管和钢管形成过盈机械配合；S4.在钛管中放入固体粉末，并将钛管两端密封；S5.对钢管和钛管的界面处抽真空使得钛管与钢管界面真空度达到10^‑2Pa以下；S6.将钢‑钛复合管坯放入退火炉进行扩散退火处理；S7.切除钢‑钛复合管头尾部分，得到复合管成品。本发明制备的钢‑钛复合管实现了钢与钛界面冶金结合，结合率100％，剪切强度大于250MPa。

Description

一种波形界面钢-钛复合管的制备方法

技术领域

本发明涉及双金属复合管材制备技术领域，尤其涉及一种波形界面钢-钛复合管的制备方法。

背景技术

钢-钛复合管兼具钛材的耐蚀性和钢材低成本优势，具有显著的经济效益，可广泛应用于石油、化工、船舶、海洋工程等领域，具有广阔的应用前景。从钛管与钢管的界面结合类型可分为，机械结合的复合管和冶金结合的复合管。机械结合的复合管主要通过冷拔、挤压等工艺实现形成结合，该方法存在结合强度低、工艺性能差等缺点。

冶金结合的复合管制备方法主要包括：离心铸造法、爆炸复合法、轧制复合法、扩散复合法等。然而，无论是离心铸造法、爆炸复合法还是轧制复合法，均存在着工艺难度大、成本高、成材率低、管型控制差等方面的不足。而扩散复合法利用温度和压力的作用使得双金管形成产生冶金结合，具有工艺操作简单易行、尺寸精度高、工艺成本低等优点。

但是现有扩散复合法制备冶金结合双金属复合管存在界面残存的空气与钛复合发生界面反应导致界面污染、洁净度低，导致复合界面强度低且性能不均匀。更重要的是，钢管与钛管的结合界面呈平直状，制备的钢管与钛管的界面结合强度相对较低，经过弯曲成型后容易产生裂纹与分层现象。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种波形界面钢-钛复合管的制备方法，用以解决现有扩散复合法制备冶金结合双金属复合管存在界面洁净度低、界面平直，使得复合界面强度低、性能不均匀、成型性能差的技术问题界面。

本发明的一种波形界面钢-钛复合管的制备方法，如图1至图4所示，钢-钛复合管包括设于外层的钢管和设于内层的钛管，波形界面钢-钛复合管的制备方法包括以下步骤：

S1.将钢管内表面和钛管外表面加工成凸型环状或双面环状螺旋波纹槽道；

S2.清除钢管表面和钛管表面的杂质与氧化物；

S3.将钛管和钢管套在一起后并通过芯棒拉拔形成过盈机械配合；

S4.在钛管中放入固体粉末，并将钛管两端密封；

S5.在钢管两侧焊接带有抽气管的钢质端盖，对钢管和钛管界面处抽真空，制成钢-钛复合管坯；

S6.将钢-钛复合管坯进行扩散退火处理，得到复合管成品；

S7.切除复合管头尾部分，对复合管的内外表面进行清洗，得到复合管成品。

进一步地，S1步骤中，波纹槽道的波峰与波谷间距离为0.5～1.5mm，波距为2～5mm。

进一步地，S2步骤中，使用质量分数为10％的NaOH溶液碱洗去除钢管和钛管表面的油脂后，再分别使用体积分数为15％的HCl和4％HF+10％HNO₃溶液分别对钢管和钛管表面进行酸洗10～30min，用清水冲洗后再用酒精冲洗表面并吹干。

进一步地，S3步骤中，芯棒采用锥形设计，芯棒最大直径比钛管内径大3-5mm，芯棒最小直径比钛管内径小5-40mm。

进一步地，S4步骤中，固体粉末采用NaHCO₃、KHCO₃、Cu₂(OH)₂CO₃、NH₄HCO₃、(NH₄)₂CO₃和KMnO₄中的一种或多种。

进一步地，S4步骤中，在钛管两端焊接上密封钛质端盖；固体粉末在加热分解后能够使得钛管内产生的压强为50～200MPa，促进了钛管与钢管的冶金结合。

进一步地，S5步骤中，在钢管两侧焊接带有抽气管的钢质端盖，并采用真空泵抽真空使得钛管与钢管界面真空度达到10^-2Pa以下，再用压钳密封抽气口，制成钢-钛复合管坯。

进一步地，S6步骤中，对钢-钛复合管坯进行内压扩散退火处理，退火温度为700-950℃，保温时间为2-10h。

进一步地，钢-钛复合管的界面冶金结合率为100％，其剪切强度在250MPa以上，经过d＝3a，α＝180°后，钢管与钛管界面完好，未发现裂纹和分层等缺陷；

进一步地，钢管材质为碳素钢、低合金钢或不锈钢，钛管材质为工业纯钛或钛合金。

相对于现有技术，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明通过将钢管内表面和钛管外表面加工成凸型环状或双面环状螺旋波纹槽道，利用拉拔和扩散退火工艺使钢管内表面和钛管外表面波纹槽道之间啮合，钢管与钛管界面形成波形状，增大内、外管之间的摩擦力以及界面结合力，优化了界面形态设计。

(2)本发明为避免钢管和钛管的界面残留空气影响钢-钛复合管的界面的结合性能，在设计管坯坯型时，将钛管的两端焊接钛端盖，阻止钛管内压气体扩散至钢管与钛管的界面处，从而避免气体污染钢管和钛管的结合界面；并在钢管两侧焊接带有抽气管的钢质端盖，利用真空泵在管坯两端同时进行抽真空，使得钛管与钢管界面真空度达到10^-2Pa以下，再用压钳密封两端抽气口，避免钢管与钛管结合面被氧化。

(3)相对于现有扩散复合方法，本发明采用在钛管两端焊接钛端盖，保证钛管良好的密封性；当对复合管进行加热时，固体粉末发生分解形成气体，气体在高温下膨胀形成内压，其压强高达50-200MPa，利用温度和压力的作用，使得钢管和钛管发生复合，形成冶金结合界面。

(4)本发明提供的钢-钛复合管制备方法简单易行，能实现批量化工业生产；另外，复合管尺寸精度高，复合工艺能够保证钢管和钛管的外径及壁厚尺寸均匀，圆周度好；制备成本低，成材率高达98％以上；界面结合强度高，成型性能好，剪切强度大于250MPa。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的钢-钛复合管的管坯结构组装示意图；

图2为本发明的钢管和钛管的拉拔扩径示意图；

图3为本发明提供的实施例一制备的钢-钛复合管的界面冶金复合显微组织；

图4为本发明提供的实施例二制备的钢-钛复合管的界面冶金复合显微组织。

附图标记：

1-钢管；2-钛管；3-固体粉末；4-钛质端盖；5-钛焊缝；6-钢质端盖；7-钢焊缝；8-真空抽气管；9-真空封口；10-芯棒。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种波形界面钢-钛复合管的制备方法，如图1至图4所示，该波形界面钢-钛复合管包括设于外层的钢管1和设于内层的钛管2，其制备方法包括以下步骤：

S1.采用滚轧工艺加工将钢管1内表面和钛管2外表面加工成凸型环状波纹或双面环状螺旋波纹槽道；

S2.采用除油和酸洗工艺，清除钢管1和钛管2表面杂质与氧化物；

S3.将钛管2和钢管1套在一起后，然后在钛管2中插入芯棒10，采用拉拔工艺使得钛管2与钢管1形成过盈机械配合；

S4.在钛管2中放入固体粉末，并在钛管2两端焊接上密封钛质端盖4；固体粉末加热分解后能够使得钛管2内产生的压强为50～200MPa，促进了钛管2与钢管1的冶金结合；

S5.在钢管1两侧焊接带有抽气管的钢质端盖6，钢质端盖6与钢管1之间设有钢焊缝7，并采用真空抽气管8使得钛管2与钢管1的复合界面处的真空度达到10^-2Pa以下，再用压钳密封抽气口即真空封口9，制成钢-钛复合管坯；

S6.将钢-钛复合管坯放入退火炉进行扩散退火处理，使得钛管2和钢管1形成冶金结合；

S7.切除复合管头尾部分，对复合管的内外表面进行清洗，得到复合管成品。

在钢-钛复合管制坯过程中，通过对钢管1内表面和钛管2外表面加工成凸型环状波纹槽道，波纹槽道的波峰与波谷间距离为0.5-1.5mm，波距为2-5mm，增大了内、外管之间的摩擦力，并最终获得波形复合界面，提高了界面结合强度。通过管坯坯型设计保证了钢管1与钛管2待结合界面高真空度，可达10^-2Pa以下，避免了钢管1与钛管2结合面被氧化。

本发明通过在内层钛管2中填充了一定量的固体粉末，固体粉末3加热分解后使得钛管2内产生大小为50～200MPa的压强，以此促进钛管2与钢管1的冶金结合；通过本方法制备得到的钢-钛复合管的钢管1层与钛管2层之间界面为波形冶金结合层，且结合率为100％，结合强度超过250MPa。本方法不仅能获得冶金结合的钢/钛复合管，实现批量生产，而且还具有尺寸精度高、设备简单、生产灵活性大、成本低等优势。

为了充分去除钢管1和钛管2表面的杂质和氧化物，在步骤S2中，利用质量分数为10％的NaOH溶液碱洗，去除钢管1和钛管2表面的油脂。再使用体积分数为15％的HCl和4％HF+10％HNO₃混合液分别对钢管1和钛管2表面进行酸洗10～30min，用清水冲洗并用酒精冲洗表面。

为了形成钢-钛复合管，首先将钛管2嵌入钢管1中预装配检验尺寸匹配，当能够顺利嵌入后，对钢管1和钛管2进行表面清理，然后将钛管2嵌入钢管1内，并在钛管2内插入芯棒10，芯棒10采用锥形设计，采用拉拔工艺使得钛管2和钢管1形成过盈机械配合。芯棒10最大直径和最小直径取决于内管内径，最大直径比内管内径大3-5mm，芯棒10最小直径比内管内径小5-40mm，使得内管与外管形成过盈机械配合。

为了使钛管2内产生大小为50～200MPa的压强，本发明中的固体粉末3可以为NaHCO₃、KHCO₃、Cu₂(OH)₂CO₃、NH₄HCO₃、(NH₄)₂CO₃、KMnO₄等加热易分解成气体的固体物质中的一种或者多种；当将制备好的钢-钛复合管坯放入退火炉在一定温度下进行扩散退火处理时，钛管2内的固体粉末受热后分解，生成水蒸气、CO₂以及对应的盐，水蒸气、CO₂以及钛管2内密封的空气在高温下形成内压，利用温度和压力的作用，使得钛管2和钢管1发生扩散复合，形成冶金结合界面。

本发明在钛管2内部设置固体粉末3使复合管在加热时，产生50～200MPa，从而实现钢管1与钛管2的冶金结合界面；按照外推原则，钛管2内压越大越有利于钢管1和钛管2处的界面结合，但内压不能使得钛焊缝5及钛管2变形，所以内压强度应小于管材的屈服强度。

对钢-钛复合管坯进行内压扩散退火处理，钢-钛复合管坯加热温度为700～950℃，保温时间为2～10h。需要说明的是，在进行内压扩散退火处理过程中，扩散温度太低，钢管1与钛管2扩散不充分，因此其内压扩散退火处理的温度大于700℃，从而避免钢管1与钛管2的界面之间存在界面孔洞，不能形成完整结合；当扩散温度太高时，钢管1与钛管2扩散太剧烈，钢管1和钛管2的界面产物过厚，使得剪切强度下降。

为了使钢管1和钛管2的界面更好的形成冶金结合界面，对钢-钛复合管坯进行内压扩散退火处理，即制备好的钢-钛复合管坯放入炉子里加热保温，加热温度为700～950℃，保温时间为2～10h，使钢管1与钛管2的界面之间发生扩散反应，形成冶金复合界面。

本发明提供地方的钢-钛复合管，包括外层、中间层及内层；外层为钢管1，中间层为钢管1与钛管2界面冶金结合反应层，外层为钛管2。

本发明提供的钢-钛复合管的界面冶金结合率为100％，剪切强度大于250MPa；经过测试，本发明提供的钢-钛复合管经过弯心直径d＝3a、弯曲角度α＝180°后，钢管1与钛管2界面完好，未发现裂纹和分层等缺陷。

本发明提供的钢-钛复合管的钢管1材质为碳素钢、低合金钢或不锈钢，钛管2材质为工业纯钛或钛合金。

实施例一

S1.选用外径为Φ110mm、壁厚为10mm、长度为1m的Q235钢管1和外径为Φ89mm、壁厚为4mm、长度为0.95m的TA2钛管2分别作为复合的外管和内管。采用特殊滚轧工艺加工将钢管1内表面和钛管2外表面加工成凸型环状波纹槽道，波纹槽道的波峰与波谷间距离为0.5mm，波距为2mm；

S2.将TA2钛管2嵌入Q235钢管1中预装配检验尺寸匹配。能够顺利嵌入后，利用温度为80-90℃，质量百分数为10％的NaOH溶液浸洗钢管1和钛管2，时间为5-10min，去除金属表面的油脂。清水漂洗后，再分别使用体积分数为15％的HCl溶液和4％HF+10％HNO₃溶液分别对钢管1和钛管2表面进行酸洗10～30min，清水中洗去腐蚀产物后，用酒精冲洗表面吹干待用。

S3.表面处理后，将钛管2嵌入钢管1内，然后在钛管2中插入芯棒10，芯棒10采用锥形设计，如图2所示，最小直径为50mm，最大直径为85mm。采用拉拔工艺使得钛管2与钢管1形成过盈机械配合。

S4.在钛管2中放入4千克的NaHCO₃固体粉末3，并在利用TIG焊在钛管2两端焊接两个直径为84mm，厚度为4mm的圆形钛质端盖4，进行密封处理。

S5.在钢管1两侧焊接带有抽气管的钢质端盖6，圆形钢质端盖6的直径为104mm，厚度为4mm，抽气管内径为10mm。利用真空泵在管坯两端同时进行抽真空处理，使得钛管2与钢管1界面真空度达到10^-2Pa以下，再用压钳密封两端抽气口。钢-钛复合管坯结构组装示意图如附图1所示。

S6.将制备好的复合管坯放入退化炉进行扩散退火处理，退火温度为950℃，保温时间为2h。此时，NaHCO₃在950℃条件下发生分解形成Na₂CO₃、水蒸气和CO₂。水蒸气、CO₂、钛管2内密封的空气在高温下膨胀形成内压，据计算，其压强可达200MPa。利用温度和压力的作用，使得钛管2与钢管1发生扩散复合，形成冶金结合界面。

S7.切除扩散退火后复合管的端部，清洗复合管的内、外表面，即可得到复合管成品。

对本实施例制备的钢-钛复合管进行UT探伤、剪切性能、弯曲性能和界面组织检验，复合管的探伤结果合格，剪切强度为275MPa，复合界面形成冶金复合，显微组织如图3所示。复合管在弯心直径为d＝3a，弯曲角度α＝180°条件下弯曲，界面完好，不出现分层和裂纹等缺陷。

实施例二：

S1.选用外径为Φ89mm、壁厚为6mm、长度为2m的Q345不锈钢管1和外径为Φ76mm、壁厚为3mm、长度为1.9m的TA2钛管2分别作为复合的外管和内管。采用特殊滚轧工艺加工将钢管1内表面和钛管2外表面加工成双面环状螺旋波纹槽道，波纹槽道的波峰与波谷间距离为1.5mm，波距为5mm；

S2.将TA2钛管2嵌入Q345钢管1中预装配检验尺寸匹配。能够顺利嵌入后，利用温度为80～90℃、质量百分数为10％的NaOH溶液浸洗钢管1和钛管2，时间为5～10min，去除金属表面的油脂。清水漂洗后，再分别使用体积分数为15％的HCl溶液和4％HF+10％HNO₃溶液分别对钢管1和钛管2表面进行酸洗10～30min，清水中洗去腐蚀产物后，用酒精冲洗表面吹干待用。

S3.表面处理后，将钛管2嵌入钢管1内，然后在钛管2中插入芯棒10，芯棒10采用锥形设计，最小直径为40mm，最大直径为75mm。采用拉拔工艺使得钛管2与钢管1形成过盈机械配合。

S4.在钛管2中放入1千克的KMnO₄固体粉末3，并在利用TIG焊在钛管2两端焊接两个直径为72mm，厚度为3mm的圆形钛质端盖4，进行密封处理。

S5.在钢管1两侧焊接带有抽气管的钢质端盖6，圆形钢质端盖6的直径为83mm，厚度为4mm，抽气管内径为10mm。利用真空泵在管坯两端同时进行抽真空处理，使得钛管2与钢管1界面真空度达到10^-2Pa以下，再用压钳密封两端抽气口。其中，钢-钛复合管的管坯结构组装示意图如图1所示。

S6.将制备好的复合管坯放入退化炉进行扩散退火处理，退火温度为700℃，保温时间为10h。此时，KMnO₄在700℃条件下发生分解形成K₂MnO₄、MnO₂和O₂。O₂和钛管2内密封的空气在高温下膨胀形成内压，据计算，其压强可达50MPa。利用温度和压力的作用，使得钛管2与钢管1发生扩散复合，形成冶金结合界面。

S7.切除扩散退火后复合管的端部，清洗复合管的内、外表面，即可得到复合管成品。

对本实施例制备的钢-钛复合管进行UT探伤、剪切性能、弯曲性能和界面组织检验，复合管的探伤结果合格，剪切强度为294MPa，复合界面形成冶金复合，显微组织如图4所示。复合管在弯心直径为d＝3a，弯曲角度α＝180°条件下弯曲，界面完好，不出现分层和裂纹等缺陷。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述钢-钛复合管包括设于外层的钢管和设于内层的钛管，所述波形界面钢-钛复合管的制备方法包括以下步骤：

S1.将钢管内表面和钛管外表面加工成凸型环状或双面环状螺旋波纹槽道；

S2.清除钢管表面和钛管表面的杂质与氧化物；

S3.将钛管和钢管套在一起后并通过芯棒拉拔形成过盈机械配合；

S4.在钛管中放入固体粉末，并将钛管两端密封；

S5.在钢管两侧焊接带有抽气管的钢质端盖，对钢管和钛管界面处抽真空，制成钢-钛复合管坯；

S6.将钢-钛复合管坯进行扩散退火处理，得到复合管成品；

S7.切除复合管头尾部分，对复合管的内外表面进行清洗，得到复合管成品。

2.根据权利要求1所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中，波纹槽道的波峰与波谷间距离为0.5～1.5mm，波距为2～5mm。

3.根据权利要求2所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述S2步骤中，使用质量分数为10％的NaOH溶液碱洗去除钢管和钛管表面的油脂后，再分别使用体积分数为15％的HCl和4％HF+10％HNO₃的混合液分别对钢管和钛管表面进行酸洗10～30min，用清水冲洗后再用酒精冲洗表面并吹干。

4.根据权利要求1或3所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述S3步骤中，所述芯棒采用锥形设计，所述芯棒最大直径比钛管内径大3-5mm，芯棒最小直径比钛管内径小5-40mm。

5.根据权利要求4所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述S4步骤中，所述固体粉末采用NaHCO₃、KHCO₃、Cu₂(OH)₂CO₃、NH₄HCO₃、(NH₄)₂CO₃和KMnO₄中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述S4步骤中，在钛管两端焊接上密封钛质端盖；所述固体粉末在加热分解后能够使得钛管内产生的压强为50～200MPa，促进了钛管与钢管的冶金结合。

7.根据权利要求6所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述S5步骤中，在钢管两侧焊接带有抽气管的钢质端盖，并采用真空泵抽真空使得钛管与钢管界面真空度达到10^-2Pa以下，再用压钳密封抽气口，制成钢-钛复合管坯。

8.根据权利要求7所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述S6步骤中，对所述钢-钛复合管坯进行内压扩散退火处理，退火温度为700-950℃，保温时间为2-10h。

9.根据权利要求1至8所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述钢-钛复合管的界面冶金结合率为100％，其剪切强度在250MPa以上。

10.根据权利要求9所述的波形界面钢-钛复合管的制备方法，其特征在于，所述钢管材质为碳素钢、低合金钢或不锈钢，所述钛管材质为工业纯钛或钛合金。