CN117165809A

CN117165809A - 一种钛铜合金管材及其制备方法

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Publication number: CN117165809A
Application number: CN202210582412.5A
Authority: CN
Inventors: 王勇; 陆亚男; 齐涛
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2023-12-05

Abstract

本发明公开了一种钛铜合金管材及其制备方法，所述钛铜合金管材的化学组分质量百分比为：Ti：2.3～3.4％，Cr：0.02～0.2％、Ni：0.02～0.5％，Al：0.15～0.20％，稀土元素0～0.05％，稀土元素为Ce、La、Sc和Y中的至少一种，余量为Cu及不可避免的杂质，Cu+Ti≥96.0％。其制备方法包括以下步骤：钛铜的铸锭、均匀化热处理、钻孔开坯、酸洗、淬火、轧制、时效硬化处理、无损探伤、水压检测、壁厚测定等。本发明的钛铜合金管材抗拉强度为1100～1250MPa，屈服强度为1050～1100MPa，断后伸长率≥7.0％，硬度HRC为38～42，满足随钻测井设备用的抗压外筒对强度、耐腐蚀性能的要求。

Description

一种钛铜合金管材及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属合金材料加工行业，涉及一种合金管及其制造方法，具体涉及一种随钻测井设备抗压外筒用的高强度钛铜合金管材及其制备方法。

背景技术

在随钻测井行业中，由于地质环境复杂多变，环境非常恶劣，钻探设备及测井设备的使用过程中，外部岩浆夹杂着高氯、二氧化碳、氢和酸等物质。因此，需要一种高强度、耐腐蚀、无磁性、耐磨、耐疲劳等特性的材料作为钻探设备的主体或关键零部件来满足这些复杂的环境要求。

铍铜合金具有良好的综合性能，该合金具有较高的硬度、强度、弹性极限及疲劳极限，它还有较强耐腐蚀性、导电性及无磁性，使其在低温、高温、高压及酸性的恶劣环境下具有较长的使用寿命。因此，其广泛应用于各种高新技术领域的制造业，特别适用于石油、煤炭钻探设备，使随钻仪器能满足在恶劣井下环境中的应用要求。然而，铍青铜中的铍具有毒性，铍易挥发是一种强致癌的元素，对人体健康产生巨大的危害，铍青铜生产和使用中的安全性问题不容忽视；且铍青铜价格昂贵、抗应力松弛能力差、时效后变形大。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种适用随钻测井设备用的高强度、耐腐蚀钛铜合金管材，其抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥1050MPa，断后伸长率≥7.0％，硬度HRC38～42。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种钛铜合金管材，钛铜合金管材的化学成分质量百分比为：Ti：2.3～3.4％，Cr：0.02～0.2％、Ni：0.02～0.5％，Al：0.15～0.20％，稀土元素0～0.05％，稀土元素为Ce、La、Sc和Y中的至少一种；余量为Cu及不可避免的杂质，Cu+Ti≥96.0％。

微量元素：微量Ce、La、Sc和Y的添加，可以作为结晶核心细化晶粒，起到固溶强化作用，进一步提高合金的强度。

本发明还提供一种钛铜合金管材的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)熔炼：将原料加入真空熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1250～1300℃；熔炼过程中加入覆盖剂和溶剂，覆盖剂为木炭、碳粉和硼砂混合物，覆盖剂的用量为原料质量的0.5～0.7％，溶剂为冰晶石；覆盖剂加入前预先进行烘烤，烘烤温度≥200℃，烘烤时间≥1h；熔化后使用搅拌棒进行搅拌，搅拌棒的材质为石墨。

(2)浇注：将上述金属液在真空炉内浇注，冷却至室温后，将铸锭从真空熔炼炉取出；锯切铸锭头尾，将头部切去100mm～150mm，尾部切去150mm～200mm。

(3)均匀化处理：将铸锭放入真空炉中，充入氮气加热至750～820℃，加热速率为10℃/分钟，保温2小时后自然冷却至室温，使铸锭内部组织均匀化。

(4)钻孔：对铸锭表面进行机械加工，将铸锭表面车成规则的圆柱状、两端车平，然后在铸锭中心钻通孔后挤压开坯。

(5)酸洗：将开孔后的管坯浸入酸液中酸洗2～4次，再用清水冲洗干净，得到酸洗后的钛铜管坯；酸液为质量分数为98％硫酸、质量分数为65％的硝酸和水的混合液，酸液中质量分数为98％硫酸、质量分数为65％的硝酸和水的体积比为1:1:3。

(6)淬火：将酸洗后的管坯加热至750～850℃，保温2小时，然后置入水槽中进行淬火热处理，水槽中的水温保持在30～50℃之间。

(7)轧制：对上述管坯冷轧至产品要求的尺寸；轧制使用四辊轧机对坯料进行冷轧；轧制2～3个道次，每个道次的加工率为32～64％。

(8)时效硬化处理：将钛铜管材在400～500℃保温2～8h，采用氢气气氛时效，氢气的压强为0.2～0.4MPa；时效处理完毕空冷至室温。

(9)产品检验：对产品管材进行无损探伤、水压检测、壁厚测定合格的为最终产品。

采用上述方法生产的钛铜合金管材具有以下优点：

1、通过对铸锭进行均匀化热处理和钻孔、开坯等工艺，冷轧至产品要求的尺寸，大大提高了成材率和材料利用率；

2、最终得到的钛铜管的抗拉强度为1100～1250MPa，屈服强度为1050～1100MPa，断后伸长率≥7.0％，硬度HRC为38～42，高于现有技术的各项技术指标，满足随钻测井设备用的抗压外筒对强度、耐腐蚀性能的要求。

本发明制备的钛铜合金管具有高强度、硬度和弹性，优良的耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性、可焊性以及机械加工性，其力学和物理性能可与铍铜合金相媲美，和铍铜合金相比，具有无毒的优点，在使用过程中不会危害人体健康，因此，随钻测井设备用钛铜合金材料成为有毒铍铜合金的替代品变得十分有意义。

具体实施方式

下面以具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

一种钛铜合金管材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)配料：称取原材料，所述原材料中含有的化学成分及其重量百分比为：Ti2.3％、Cr 0.10％、Ni 0.15％、Al 0.14％、Ce 0.02％，余量为铜和不可避免的杂质；

(2)真空熔炼：将步骤(1)中称取的原材料放入真空熔炼设备中真空熔炼，真空度为10Pa，温度为1250℃条件下保温25min，形成钛铜合金熔体；

(3)浇铸：将步骤(2)中获得的钛铜合金熔体浇注成铸锭，并快速水冷却至室温，以达到固溶处理的目的；铸锭头部切去150mm，尾部切去200mm；

(4)均匀化处理：将步骤(3)中获得的铸锭放入真空炉中，充入氮气加热至750℃，加热速率为10℃/分钟，保温2小时后自然冷却至室温；

(5)钻孔及酸洗：然后将步骤(4)中获得的铸锭中心钻通孔后挤压开坯，开孔后的管坯浸入酸液中酸洗2次，再用清水冲洗干净，得到酸洗后的钛铜管坯；

(6)淬火：将步骤(5)酸洗后的管坯加热至750℃，保温2小时，然后置入水槽中进行淬火热处理；

(7)轧制：对上述管坯冷轧至产品要求的尺寸，轧制2～3个道次，每个道次的加工率为32～64％。

(8)时效硬化处理：将步骤(7)中获得的管材在400℃的温度下时效处理4小时，时效处理完毕空冷至室温，获得所述钛铜合金管材。

性能测试结果如表1所示。

实施例2

(1)配料：称取原材料，所述原材料中含有的化学成分及其重量百分比为：Ti2.6％、Cr 0.10％、Ni 0.15％、Al 0.16％、Ce 0.02％，余量为铜和不可避免的杂质；

(4)均匀化处理：将步骤(3)中获得的铸锭放入真空炉中，充入氮气加热至770℃，加热速率为10℃/分钟，保温2小时后自然冷却至室温；

(6)淬火：将步骤(5)酸洗后的管坯加热至780℃，保温2小时，然后置入水槽中进行淬火热处理；

(8)时效硬化处理：将步骤(7)中获得的管材在420℃的温度下时效处理4小时，时效处理完毕空冷至室温，获得所述钛铜合金管材。

性能测试结果如表1所示。

实施例3

(1)配料：称取原材料，所述原材料中含有的化学成分及其重量百分比为：Ti3.0％、Cr 0.10％、Ni：0.15％、Al 0.18％、Ce 0.02％、La 0.02％，余量为铜和不可避免的杂质；

(2)真空熔炼：将步骤(1)中称取的原材料放入真空熔炼设备中真空熔炼，真空度为10Pa，温度为1250℃条件下保温30min，形成钛铜合金熔体；

(7)轧制：对上述管坯冷轧至产品要求的尺寸，轧制2～3个道次，每个道次的加工率为32～64％；

(8)时效处理：将步骤(7)中获得的管材在420℃的温度下时效处理8小时，获得所述钛铜合金管材。

性能测试结果如表1所示。

实施例4

(1)配料：称取原材料，所述原材料中含有的化学成分及其重量百分比为：Ti3.4％、Cr 0.10％、Ni：0.10％、Al 0.20％、Ce 0.02％、La 0.02％，余量为铜和不可避免的杂质；

(2)真空熔炼：将步骤(1)中称取的原材料放入真空熔炼设备中真空熔炼，真空度为10Pa，温度为1300℃条件下保温20min，形成钛铜合金熔体；

(8)时效处理：将步骤(7)中获得的管材在450℃的温度下时效处理8小时，获得所述钛铜合金管材。

性能测试结果如表1所示。

实施例5

(1)配料：称取原材料，所述原材料中含有的化学成分及其重量百分比为：Ti3.4％、Cr 0.10％、Ni：0.10％、Al 0.20％、Ce 0.02％、La 0.02％、Sc 0.01％、Y 0.01％，余量为铜和不可避免的杂质；

(4)均匀化处理：将步骤(3)中获得的铸锭放入真空炉中，充入氮气加热至820℃，加热速率为10℃/分钟，保温2小时后自然冷却至室温；

(8)时效处理：将步骤(7)中获得的管材在500℃的温度下时效处理8小时，获得所述钛铜合金管材。

性能测试结果如表1所示。

表1实施例1-5的钛铜合金管材的性能测试结果

项目	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	断后伸长率/％	硬度HRC
					实施例1	1103	1054	9.8	38.1
实施例2	1112	1070	9.7	38.8
					实施例3	1158	1096	8.5	39.3
实施例4	1209	1150	7.6	40.2
					实施例5	1232	1163	7.3	41.0

本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种钛铜合金管材，其特征在于，所述钛铜合金管材的化学成分质量百分比为：Ti：2.3～3.4％，Cr：0.02～0.2％、Ni：0.02～0.5％，Al：0.15～0.20％，稀土元素0～0.05％，稀土元素为Ce、La、Sc和Y中的至少一种；余量为Cu及不可避免的杂质，Cu+Ti≥96.0％。

2.根据权利要求1所述的钛铜合金管材，其特征在于，所述钛铜合金管材的抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥1050MPa，断后伸长率≥7.0％，硬度HRC 38～42。

3.一种钛铜合金管材的制备方法，所述制备方法包括以下制备步骤：

1)熔炼：

按比例称取原料，将原料加入真空熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1250～1300℃；熔炼过程中加入覆盖剂和溶剂；覆盖剂加入前预先进行烘烤，烘烤温度≥200℃，烘烤时间≥1h；熔炼熔化后的金属液使用搅拌棒进行搅拌；

2)浇注：

将搅拌均匀的金属液在真空炉内浇注，冷却至室温后，将铸锭从真空熔炼炉取出；锯切铸锭头部和尾部；

3)均匀化处理：

将铸锭放入真空炉中，充入氮气加热至750～820℃，加热速率为10℃/分钟，保温后自然冷却至室温，使铸锭内部组织均匀化；

4)钻孔：

将铸锭表面车成规则的圆柱状、两端车平，然后在铸锭中心钻通孔后挤压开坯；

5)酸洗：

将开孔后的管坯浸入酸液中酸洗2～4次，再用清水冲洗干净，得到酸洗后的钛铜管坯；

6)淬火：

将酸洗后的钛铜管坯加热至750～850℃，保温1-3小时，然后进行淬火热处理，淬火温度保持在30～50℃之间；

7)轧制：

对钛铜管坯进行冷轧；轧制2～3个道次，每个道次的加工率为32～64％；

8)时效硬化处理：

将钛铜合金管材在400～500℃保温2～8h，采用氢气气氛时效，氢气的压强为0.2～0.4MPa；时效处理完毕空冷至室温；

9)产品检验：

对钛铜合金管材进行无损探伤、水压检测、壁厚测定，合格的为最终产品。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂为木炭、碳粉和硼砂混合物，覆盖剂的用量为原料质量的0.5～0.7％；所述溶剂为冰晶石。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌棒的材质为石墨。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，锯切铸锭头部和尾部为：将头部切去100mm～150mm，尾部切去150mm～200mm。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述酸液为质量分数为98％硫酸、质量分数为65％的硝酸和水的混合液，酸液中质量分数为98％硫酸、质量分数为65％的硝酸和水的体积比为1:1:3。