CN114182187B - 一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，涉及金属材料热处理技术领域。包括以下步骤：将钛合金管材依次进行退火处理、固溶热处理及时效热处理，即得热处理的所述油气用钛合金管材。本发明通过设计合理的热处理技术来提升油气用钛合金管材韧性，对实现材料的强韧性匹配、推动其在油气行业领域应用具有重要的意义。

Description

一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，具体涉及一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法。
背景技术
国外的钛合金油井管的开发与使用比国内使用传统镍合金油井管材料更早。在20世纪90年代，美国的RMI公司就已经成功将多种钛合金管材应用在工业化的石油天然气勘探开发领域，这充分说明了钛合金材料在油气行业应用的适用性。目前，由于我国的镍矿资源较为贫乏，而钛资源相对丰富，且随着我国工业技术的发展，钛合金加工制备技术日益成熟使钛合金油井管具有较低的制造成本。从长远来讲，大力发展钛合金油井管代替镍基合金管有利于油气资源的开发成本以及提高油井材料的可靠性。针对TC4钛合金油井管存在的问题，以含较廉价元素Mo和Zr的TC4合金(Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金)作为研究对象，在不变形的基础上，仅通过热处理调控组织，如何提升油气用Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的冲击韧性是在构件领域应用需要解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，提供了一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法。该方法通过设计合理的热处理技术来提升油气用钛合金管材韧性，对实现材料的强韧性匹配、推动其在油气行业领域应用具有重要的意义。
本发明的目的是提供一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，包括以下步骤：将钛合金管材依次进行退火处理、固溶热处理及时效热处理，即得热处理的所述油气用钛合金管材；
其中，退火处理是在945～960℃保温1～2h，随后冷却至室温；
固溶热处理是在910～930℃的条件下保温1～2h后空冷；
时效热处理是在500～600℃的条件下保温2～4h后空冷。
优选的，退火处理是在955℃保温1h，随后冷却至室温。
优选的，时效热处理是在550℃的条件下保温2h后空冷。
优选的，退火处理时升温速率20℃/min；
固溶热处理升温速率10℃/min；
时效热处理速率10℃/min。
优选的，所述退火处理时的降温速率为10℃/min。
优选的，所述钛合金管材为挤压态钛合金管材。
更优选的，所述钛合金管材为Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金，其中，各元素的质量百分含量为：Al：6.1％，V：4.0％，Mo：0.5～0.8％，Zr：0.5～0.8％，钛：余量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种提高油气用钛合金管材韧性的方法，该方法对钛合金管材挤压态钛合金材料在接近相变点的温度955℃进行退火热处理，使具有魏氏组织的挤压态钛合金行形成球状α相的形核点；随后在两相区进行固溶热处理，通过改变固溶热处理的温度对钛合金的球化进行调控，提高合金的伸长率，最后再通过时效使次生α相析出。随着热处理温度的升高片状α相的长宽比也发生变化，其中：马氏体的长度范围为8～15μm，宽度范围为0.7～5μm，长宽比为2～12。
本发明提供的一种提高油气用钛合金管材韧性的方法，将油气用钛合金管材，首先在进行临近相变点退火，之后在两相区高温段进行固溶热处理，球状α相长大，并且通过控制片层α相的厚度，改变钛合金材料的断裂模式，大幅度提高了钛合金的韧性，解决钛合金在不能变形的基础上，解决钛合金强度高、塑性低导致的强韧性不匹配的问题。
附图说明
图1为原始挤压态钛合金管材的显微组织形貌。
图2为本发明提出的钛合金热处理流程示意图。
图3为实施例1提供的钛合金经退火处理后的显微组织形貌图。
图4为实施例1提供的钛合金经时效热处理后的显微组织形貌图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
需要说明的是，本发明采用的钛合金管材为挤压态钛合金管材，管材外径直径为90mm，管壁厚为9mm；其显微组织形貌如图1所示，图中可以发现合金是由许多弯曲的片状α相和β相组成的魏氏组织，β晶内分布着大小不同的弯曲的集束，每个集束内分布着长短不同的片状α，晶界处有不连续晶界α相，这种结构是在β单相区挤压得到的，并且相邻α集束的取向不同。
下述实施例采用的钛合金管材为Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金，其中，各元素的质量百分含量为：Al：6.1％，V：4.0％，Mo：0.5～0.8％，Zr：0.5～0.8％，钛：余量。
实施例1
一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，包括以下步骤：
步骤1)：通过挤压工艺制造出Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金石油用管材；
步骤2)：对挤压态Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金在相变点附近进行临近相变点退火，以10℃/min的炉冷速率进行冷却；Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第一次高温退火温度为955℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第一次高温退火后的保温时间为60min。
步骤3)：接着将Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材放入马弗炉中进行固溶热处理，热处理再保温一定时间后空冷；Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第二次热处理温度为910℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的热处理的保温时间为2小时。
步骤3)：将第二次热处理的Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材出炉空冷至室温后，在进行时效；时效温度为550℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第二次热处理的保温时间为2小时。
步骤4)：对热处理后的管材进行冲击测试，获得热处理后合金的冲击韧性为88.6J/cm2。
实施例2
一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，见图2所示，包括以下步骤：
步骤1)：通过挤压工艺制造出Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金石油用管材；
步骤2)：对挤压态Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金在相变点附近进行临近相变点退火，以10℃/min的炉冷速率进行冷却；Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第一次高温退火温度为955℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第一次高温退火后的保温时间为60min。
步骤3)：接着将Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材放入马弗炉中进行固溶热处理，热处理再保温一定时间后空冷；Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第二次热处理温度为910℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第二次热处理的保温时间为1小时。
步骤4)：将第二次热处理的Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材出炉空冷至室温后，在进行时效；时效温度为550℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第二次热处理的保温时间为2小时。
步骤5)：对热处理后的管材进行冲击测试，获得热处理后合金的冲击韧性为87.6J/cm2。采用这种热处理方式获得合金的伸长率和冲击功相比原始值分别提高110％和143％。
实施例2
一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，见图2所示，包括以下步骤：
步骤1)：通过挤压工艺制造出Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金石油用管材；
步骤2)：对挤压态Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金在相变点附近进行临近相变点退火，以10℃/min的炉冷速率进行冷却；Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第一次高温退火温度为955℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第一次高温退火后的保温时间为60min。
步骤3)：接着将Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材放入马弗炉中进行固溶热处理，热处理再保温一定时间后空冷；Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第二次热处理温度为930℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第二次热处理的保温时间为1小时。
步骤4)：将第二次热处理的Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材出炉空冷至室温后，在进行时效；时效温度为550℃，Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的第二次热处理的保温时间为2小时。
步骤5)：对热处理后的管材进行冲击测试，获得热处理后合金的冲击韧性为88.0J/cm2。
为了说明本发明提供的一种钛合金管材常用热处理方法，对实施例1提供的热处理方法获得的中间产品及最终产品进行相关性能的测试，见图3和图4所示，
图3为实施例1提供的钛合金经退火处理后的显微组织形貌图，从图3可知，钛合金管材挤压态钛合金材料在接近相变点的温度955℃进行退火热处理，使具有魏氏组织的挤压态钛合金行形成球状α相的形核点；
图4为实施例1提供的钛合金经时效热处理后的显微组织形貌图，从图4可知，钛合金经两相区进行固溶热处理，通过改变固溶热处理的温度对钛合金的球化进行调控，提高合金的伸长率，最后再通过时效使次生α相析出。随着热处理温度的升高片状α相的长宽比也发生变化，其中：马氏体的长度范围为8～15μm，宽度范围为0.7～5μm，长宽比为2～12。
综上，本发明提供的一种提高油气用钛合金管材韧性的方法，将油气用钛合金管材，首先在进行临近相变点退火，之后在两相区高温段进行固溶热处理，球状α相长大，并且通过控制片层α相的厚度，改变钛合金材料的断裂模式，大幅度提高了钛合金的韧性，解决钛合金在不能变形的基础上，解决钛合金强度高、塑性低导致的强韧性不匹配的问题。
本发明针对Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材材料的热处理工艺，采用双重热处理工艺，从而大大提高了Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的使用性能，使合金的伸长率和冲击功相比原始值分别提高110％和143％，提高了Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材应用的范围，使其可广泛应用于各种油气环境中。
本发明的设计思想是：
本发明方法将挤压态Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材材料在接近β相变点附近(955℃)的条件下保温1h后炉冷至室温，然后在温度910℃的条件下保温1h后空冷，最后在温度550℃的条件下保温2h后空冷，得到热处理的油气用Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材。本发明将挤压态Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金材料在接近相变点的温度进行临近相变点退火，使具有魏氏组织的挤压态Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金形成球状α相的形核点；随后在两相区进行固溶热处理，通过固溶热处理温度的变化对钛合金的球化进行调控，可以提高合金的伸长率，最后再通过时效使次生α相析出，而使得裂纹在扩展过程中的路径更加曲折、偏转角度增大，大幅度提高Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金管材的冲击韧性。采用本发明的方法可以将冲击韧性从36.4J/cm2提高到88.6J/cm2，实现了材料的强韧匹配，为制造钛合金材料在承力结构领域的应用提供了一种增韧方法。
本发明描述了优选实施例及其效果。但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：将钛合金管材依次进行退火处理、固溶热处理及时效热处理，即得热处理的所述油气用钛合金管材；
其中，退火处理是在945~960℃保温1~2h，随后冷却至室温；
固溶热处理是在910~930℃的条件下保温1~2h后空冷；
时效热处理是在500~600℃的条件下保温2~4h后空冷；
其中，退火处理时升温速率20℃/min；
固溶热处理升温速率10℃/min；
时效热处理速率 10℃/min；
所述钛合金管材为Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金，其中，各元素的质量百分含量为：Al：6.1 %，V：4.0 %，Mo：0.5~0.8%，Zr：0.5~0.8%，钛：余量。
2.根据权利要求1所述的提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，其特征在于，退火处理是在955℃保温1h，随后冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，其特征在于，时效热处理是在550℃的条件下保温2h后空冷。
4.根据权利要求1所述的提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，其特征在于，所述退火处理时的降温速率为10℃/min。
5.根据权利要求1所述的提高油气用钛合金管材韧性的热处理方法，其特征在于，所述钛合金管材为挤压态钛合金管材。
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