CN112143935A - ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金、管材及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金、管材及制造方法，ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金，以重量百分比计，包括钨：15.0～21.0％，其余为钛和不可避免的杂质。本发明的钛合金成本低，钛合金管材生产工艺简单、加工性能好、显著提高了管材的成材率、同时兼顾强度与塑韧性。

Description

ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金、管材及制造方法

技术领域

本发明属于钛合金及其管材制造技术领域，具体涉及ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金、管材及制造方法。

背景技术

随着石油钻探开发难度增大，深井、超深井及水平井数量不断增加。传统钢制钻杆比强度低，在复杂工况油气钻采条件下容易发生应力腐蚀疲劳断裂等失效事故。钛合金钻杆比强度高、抗硫化氢应力腐蚀性能及耐腐蚀疲劳性能良好，可以显著减轻钻柱重量，缓解应力集中，提高钻柱的最大下入深度、耐腐蚀疲劳性能等，延长钻柱服役寿命，显著减少油气井中钻具失效造成的安全事故。此外，对耐蚀钛合金钻杆用管材的性能及成本要求不断提高，其研究受到广泛重视。

目前普遍使用的钛合金材料多采用V、Zr、Pd、Ru等贵金属元素高合金化设计，成本较高，工艺复杂，加工难度大，成材率低。特别是对于经典的Ti6Al4V模型合金及在此基础上改良的一系列牌号的钛合金来说，由于V等贵金属元素含量不能够有效降低导致成本居高不下，很难在石油钻探用管材领域获得大面积推广。

在专利申请号为CN200810150893.2的“一种低成本高强度钛合金”中，其合金成分以质量百分比计：Al:4％～6％,V:1.9％～2.9％，Fe:1％～3％,余量为钛和不可避免的杂质。但是贵金属V含量依然很高，合金成本依旧较高。

在专利申请号为CN200810117904.7的“一种低成本α+β型钛合金”中，其合金成分：Al:4.5％～8％,Cr:0.3％～2％，Fe:0.3％～2％,W:0～1％，余量为钛和不可避免的杂质。其中Cr和Fe分别以铝铬中间合金和铝铁中间合金的形式加入，但是含有重金属元素Cr，制备过程中容易生成有毒六价Cr离子。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金、管材及制造方法，本发明的钛合金成本低，钛合金管材生产工艺简单、加工性能好、显著提高了管材的成材率、同时兼顾强度与塑韧性。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金，以重量百分比计，包括钨：15.0～21.0％，其余为钛和不可避免的杂质。

进一步地，以重量百分比计，包括钨：18.0％，其余为钛和不可避免的杂质。

进一步地，以重量百分比计，包括钨：21.0％，其余为钛和不可避免的杂质。

一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：将纯钛和钛钨中间合金熔炼，得到管坯；以重量百分比计，管坯中钨含量为15.0～21.0％；

步骤2：将管坯加热进行均匀化退火；

步骤3：将退火后的管坯进行挤压成型；

步骤4：将挤压成型后的管材进行固溶时效处理；

步骤5：将时效处理后的管材校直变形，得到最终的管材。

进一步地，所述步骤1中，采用真空悬浮熔铸法将纯钛和钛钨中间合金进行熔炼。

进一步地，所述步骤2中，均匀化退火的温度为900～950℃，时间为1～2h。

进一步地，所述步骤3中，挤压的温度为900～950℃，挤压的挤压比为22～26，挤压的速度为60～80mm/s。

进一步地，所述步骤4中，固溶温度为900～950℃，时间为1～2h；时效温度为300～350℃，时间为1～2h。

一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材，应用所述的制造方法制得。

进一步地，所述钛合金管材为105Ksi级钛合金钻杆。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金，采用β+ω相组织，比强度高，耐腐蚀性能好，合金成本较低，化学成分配比简单，不含V、Zr、Pd、Ru等贵金属元素，也不含在制备过程中容易生成有毒六价Cr离子的重金属元素Cr。

本发明提供的一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材的制造方法，采用纯钛和钛钨中间合金，工艺简单、流程短，加工性能好，成材率高。通过合理的成分设计和热加工工艺控制，控制β+ω相变组织和最终产品质量。具体的说，通过合金热加工工艺改变合金组织，合金在β相区(950℃)开始热挤压、且保持在β相区(900℃)结束热挤压，对挤压态和固溶时效态组织分析表明，合金均主要由β相和ω析出相组成。通过控制热加工工艺获得均匀弥散分布的ω析出相，以及控制ω析出相的变体结构及其化学成分、析出相大小、密度与体积分数，进而获得韧脆转变可控的ω析出相，能够在提高合金强度的同时提高合金塑韧性与成型性，最终使得合金塑性变形能力提高，易于变形加工，达到提高成材率、获得兼具高强度与高塑韧性的钛合金管材的目标。本发明通过钛合金成分设计及工艺生产的钛合金管材，可简化生产工艺、降低加工难度、显著提高管材成材率、大幅度降低生产成本和供货周期。经测算，本发明钛合金的综合成本较现有同级性能指标的钛合金降低10％～12％。

本发明制造的钛合金钻杆具有比传统钢制钻杆更轻的质量、更高的比强度、更好的耐腐蚀耐疲劳等性能，以及显著减轻钻柱重量，缓解应力集中，提高钻柱的最大下入深度及延长钻柱服役寿命等优点，解决了传统钢制钻杆比强度低，在复杂工况油气钻采条件下易发生应力腐蚀断裂、疲劳断裂、泄漏等失效问题。通过本发明工艺路线得到的钛合金钻杆屈服强度大于729MPa，延伸率大于20％，冲击功大于59J，满足API-5DP中105Ksi强度级别钻杆力学性能标准要求，在具有高强度的同时保持较高的塑韧性。

附图说明

图1为本发明一实施例的钛合金管材的制造方法流程框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金，以重量百分比计，包括钨：15.0～21.0％，其余为钛和不可避免的杂质。

作为本发明的某一实施方式，一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：将纯钛和钛钨中间合金采用真空悬浮熔铸法熔炼，得到管坯；以重量百分比计，管坯中钨含量为15.0～21.0％；

步骤2：将管坯加热进行均匀化退火，均匀化退火的温度为900～950℃，时间为1～2h；

步骤3：将退火后的管坯经挤压机进行挤压成型，挤压的温度为900～950℃，挤压的挤压比为22～26，挤压的速度为60～80mm/s；

步骤4：将挤压成型后的管材进行固溶时效处理，固溶温度为900～950℃，时间为1～2h；时效温度为300～350℃，时间为1～2h；

步骤5：将时效处理后的管材校直变形3％，得到最终的管材。

实施例1

1、配料：按Ti-15.0wt％W合金的成分，分别配取零级海绵Ti和Ti-31.0wt％W中间合金；所述金属纯度≥99.99％；

2、熔炼：采用真空悬浮熔铸法。熔炼时，控制炉内的真空度≤10^-2Pa，炉温为1600℃，制得合金铸锭；充分冷却后，对铸锭进行扒皮除去表面的氧化层；

3、退火处理：在箱式电阻炉中进行退火处理，退火温度为900℃，保温时间为1h，空冷；

4、挤压处理：挤压温度：900℃，挤压比为22，挤压速度为80mm/s；

5、固溶时效处理：固溶温度为900℃，时间为1h；时效温度为300℃，时间为1h。

6、管材校直变形3％，最终成材。

实施例2

1、配料：按Ti-18.0wt％W合金的成分，分别配取零级海绵Ti和Ti-31.0wt％W中间合金；所述金属纯度≥99.99％；

2、熔炼：采用真空悬浮熔铸法。熔炼时，控制炉内的真空度≤10^-2Pa，炉温为1600℃，制得合金铸锭；充分冷却后，对铸锭进行扒皮除去表面的氧化层；

3、退火处理：在箱式电阻炉中进行退火处理，退火温度为920℃，保温时间为1.5h，空冷；

4、挤压处理：挤压温度：940℃，挤压比为24，挤压速度为70mm/s；

5、固溶时效处理：固溶温度为930℃，时间为1h；时效温度为325℃，时间为1.5h；

6、管材校直变形3％，最终成材。

实施例3

1、配料：按Ti-21.0wt％W合金的成分，分别配取零级海绵Ti；Ti-31.0wt％W中间合金；所述金属纯度≥99.99％；

2、熔炼：采用真空悬浮熔铸法。熔炼时，控制炉内的真空度≤10-2Pa，炉温为1600℃，制得合金铸锭。充分冷却后，对铸锭进行扒皮除去表面的氧化层；

3、退火处理：在箱式电阻炉中进行退火处理，退火温度为950℃，保温时间为2h，空冷；

4、挤压处理：挤压温度：950℃，挤压比为26，挤压速度为60mm/s；

5、固溶时效处理：固溶温度为950℃，时间为1h；时效温度为350℃，时间为2h；

6、管材校直变形3％，最终成材。

下面对制得的钛合金材料进行性能检测，进一步显示本发明钛合金的高强高韧性能。

表1不同实施例制备获得的钛合金的拉伸力学性能数据

与以往的耐蚀合金钻杆用管材成分相比，本发明在合金配方上以钛为基体，具有较高的W含量(15.0～21.0％)、不加V、Zr、Pd、Ru等贵金属元素及Cr等重金属污染有毒元素，成分设计简单、成本较低，较现有同级性能指标的钛合金成本降低10％～12％，充分利用了W合金元素的固溶强化作用和ω相变诱发的可控韧脆转变；以上成分配合热加工工艺，不仅提高了产品的综合性能，而且能够采取灵活的挤压生产工艺，提高生产效率和成材率。通过以上工艺路线制备的钛合金钻杆具有优异的抗腐蚀与抗疲劳止裂能力，屈服强度大于729MPa，延伸率大于20％，冲击功大于59J，满足API-5DP中105Ksi强度级别钻杆力学性能标准要求，在具有高强度的同时保持较高的塑韧性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金，其特征在于，以重量百分比计，包括钨：15.0～21.0％，其余为钛和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金，其特征在于，以重量百分比计，包括钨：18.0％，其余为钛和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金，其特征在于，以重量百分比计，包括钨：21.0％，其余为钛和不可避免的杂质。

4.一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将纯钛和钛钨中间合金熔炼，得到管坯；以重量百分比计，管坯中钨含量为15.0～21.0％；

步骤2：将管坯加热进行均匀化退火；

步骤3：将退火后的管坯进行挤压成型；

步骤4：将挤压成型后的管材进行固溶时效处理；

步骤5：将时效处理后的管材校直变形，得到最终的管材。

5.根据权利要求4所述的一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材的制造方法，其特征在于，所述步骤2中，均匀化退火的温度为900～950℃，时间为1～2h。

6.根据权利要求4所述的一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材的制造方法，其特征在于，所述步骤3中，挤压的温度为900～950℃，挤压的挤压比为22～26，挤压的速度为60～80mm/s。

7.根据权利要求4所述的一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材的制造方法，其特征在于，所述步骤4中，固溶温度为900～950℃，时间为1～2h；时效温度为300～350℃，时间为1～2h。

8.一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材，其特征在于，应用如权利要求4～9任一项所述的制造方法制得。

9.根据权利要求8所述的一种ω相变诱发增强增韧亚稳β型钛合金管材，其特征在于，所述钛合金管材为105Ksi级钛合金钻杆。

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