CN118045885A - 一种金属管材各向异性调控的加工方法及扭转加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属管材各向异性调控的加工方法及扭转加工装置，本发明方法包括步骤一：扭转加工、步骤二：扭转棒材再锻造、步骤三：机械穿孔与管材轧制、步骤四：管材扭转和步骤五：管材退火与表面处理；本发明装置包括一端为设置在底座上的通过紧固器与棒坯或管坯固定连接的固定轴和另一端为设置在底座上的通过紧固器与棒坯或管坯旋转连接的旋转轴，旋转轴通过导线与控制器一端相连，控制器另一端通过导线与电阻丝相连，电阻丝均匀缠绕在套设于棒坯或管坯的圆形加热电阻上；本发明对材料限制小，可以显著改善各向异性和提升管材的整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属管材加工领域，具体涉及一种金属管材各向异性调控的加工方法及扭转加工装置。
背景技术
管材作为金属型材的一个重要产品形式，广泛应用于各种带压液体或气体输送工程。随着高精特新工装的不断涌现，管材服役环境日益向高温、高压、腐蚀甚至辐照等严酷工况发展。对管材的各项性能都提出了更高的要求。管材的力学性能作为结构件的基本性能，成为研判材料服役性能的首要指标。
金属管材加工方法主要有挤压、轧制、拉板法。其中挤压法主要用于厚壁管或者管坯制备，其是在一定温度下通过挤压针强行对静态金属棒坯进行挤压而穿孔；此外还有顶头穿孔，是通过高温顶头将高温下动态旋转的棒坯进行穿孔。两者都是形成厚壁管或者管坯的方法。管材轧制法是将厚壁管坯通过内部芯棒和外部辊环的共同作用完成减径减壁的加工过程。主要分为两辊和多辊方式，实现薄壁管材的加工。对于更细的管材加工，一般采取拉拔的方式进行，通过管材内部游动芯棒和外部模具缩口的配合实现减径减壁的。无论是挤压、轧制还是拉拔方法，都是通过棒材或者管坯轴向剪切或者滑移变形完成减径减壁过程，因此在管材轴向形成拉伸纤维组织。严重纤维组织取向造成了严重的管材轴向和径向性能显著的各向异性。因此，在高温、高压作用下管材在径向破裂的概率显著提高。严重影响设备工况和人身安全。
目前，提高材料强度和硬度的方法主要有细晶强化、固溶强化、第二相强化、位错强化；提高塑性主要通过形成孪晶、层错和细化晶粒来实现。能同时提高强度和塑性的方法公认是细晶强化。其中以细晶强化为基础的大塑性变形方法是显著提高材料强韧性的方法。其是在金属成形过程中，通过对内部一定体积的金属施加超大塑性应变成为超细晶的过程。上述方法在材料强韧化实践中都得到了广泛应用，但是对于管材这一特殊形状的型材而言，还存在一定的局限性。主要表现在以下几个方面：一是细晶强化对于高强度难熔金属材料，需要通过大吨位加工设备累计变形实现，设备大、坯料尺寸大；二是难熔金属材料通过粉末冶金法制备，坯料规格尺寸和重量受限，因此在棒材阶段实现的空间有限；三是金属管材加工设备能力有限，因此在管材阶段实现的空间也有限。重要的是，管材的各向异性主要是在管材成型阶段形成的。即使通过前期充分的形变加工实现细晶化，但是在管材加工过程产生的各向异性不可避免。因此，消除金属管材各向异性是一个困难的问题。现实中，管材的各向异性问题只能通过热处理方式予以缓解。然而，热处理方法的功效在于消除材料内部应力或者适度再结晶。从而缩小轴向和径向性能的差距。显然，热处理法只能起到微调作用，并不能显著显著改变管材的各向异性。
双碳背景下，核能以及制造领域轻量化技术逐渐成为近年来关注的热点。而金属管材不管是在核能背景下作为核包壳\热管还是在轻量化技术背景下作为轻量化的手段，都是国内外研究的重要方向。但是不管金属管材的应用领域是什么，其力学性能都将是首要的性能要求。对于金属管材的轴向力学性能始终是业界关注的对象。然而随着严苛工况和苛刻要求领域的不断出现，特别是管材内部高温和高压下管材状况的出现，对管材径向力学性能的要求显著提高。然而，管材轴向和径向性能的比较发现，管材的径向性能远低于轴线性能，呈现出严重的各向异性。为此，解决和调控管材各向异性的问题已经成为高端管材迫切的要求。
目前解决管材的各向异性问题，主要有加工类和热处理类两种方法。加工类方法调控各向异性的原理是依据管材的各向异性程度与管材的加工深度密切相关。加工深度越大，各向异性越强烈。因此，可以通过降低管材加工程度来改善管材各向异性。热处理法，通过对管材热处理，消除管材内应力或适度调控管材显微组织的长径比，以降低管材各向异性。前者由于管材加工深度的降低，各向异性相对弱化，但是管材的轴向性能随之也降低。后者通过热处理适度形成再结晶以降低管材内部显微组织的长径比，也出现了管材轴向性能的降低。由此可见，目前采用的管材各向异性调控方法，均是以降低管材轴向性能为代价实现的。并没有从根本上上解决管材的各向异性问题，同时实现管材的强韧性和各向异性同步优化和改善。
对管材轴向和径向的纤维组织的观察发现，管材通过减径减壁加工之后，在管材轴向形成了细长型的显微组织，并且随着加工深度的加工，纤维组织的长径比不断提高。在对管材轴向拉伸时，显微组织的轴向定向分布及其前后纤维组织之间的燕尾搭接，显著提高了管材的轴向力学性能。断口呈现韧性韧窝断裂特征；而对管材径向拉伸时，断口沿着相邻纤维之间的晶界开裂，呈现明显的脆性断口为主的特征。换言之，管材的轴向以纤维内部的穿晶断裂为主，而径向拉伸为相邻纤维之间的沿晶断裂为主。由此可见，调控管材的各向异性需要管材断裂的穿晶和沿晶断裂类型。而两种断裂类型又是由于纤维组织的走向引起的。因此，改善管材的纤维走向，调控管材轴向和径向拉伸时穿晶和沿晶断裂占比，就可以显著改善材料的的各向异性。
通过前述已经明确，现有管材各向异性的调控技术存在以下缺点：
1.加工类和热处理类方法均是显著降低了管材的轴向力学性能。前者降低管材加工深度，后者降低了管材内部纤维的长径比；
2.加工类和热处理类方法均是并没有显著改善管材的各向异性。两种方法均是相对降低了纤维轴向相对于径向尺度的比值关系；
通过对管材各向异性在力学性能和拉伸断口特征分析，确认了管材累计加工产生的强烈定向分布的轴线纤维组织是造成管材各向异性的根源。因此造成管材轴向和径向拉伸穿晶断裂和沿晶断裂不同。因此通过调控管材轴向纤维组织在轴向和径向的分布，可以有效调控管材的各向异性。
此外，本团队前期“一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法”(202110025977.9)已经说明了经过扭转加工，金属棒杆丝材可以实现材料强韧性能的再提升。本发明是在其基础上，通过对管材各向异性测试和分析，提出一种金属管材各向异性调控的加工方法及扭转加工装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属管材各向异性调控的加工方法及扭转加工装置，本发明对材料限制小，可以显著改善各向异性和提升管材的整体性能。
为了实现上述目的，本发明的对金属管材各向异性调控的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：将去应力退火后的光滑金属棒材一端固定，另一端可旋转，从固定端开始对光滑金属棒坯进行小区域加热并保温后开始扭转，直至完成整根棒坯的扭转加工，扭转角度为360-3600°，得到扭转棒材；
步骤二：将扭转棒材在氢气或真空气氛中加热进行多道次锻造和回火，每道次变形量2-3％，总变形量不大于10％，再进行退火，退火后去除扭转棒材的表面氧化层，得到光滑扭转棒材；
步骤三：将光滑扭转棒材进行切割并机械穿孔，再将机械穿孔后的光滑扭转棒材进行热轧/冷轧，轧制多道次总变形量达到60-65％后在氢气/真空气氛中退火，随后再进行温轧，轧制多道次达到所需规格时在氢气气氛中退火，得到退火态管材；
步骤四：将退火态管材一端设置为固定端，另一端为旋转端，从固定端开始对退火管材进行小区域加热并保温后开始扭转，直至完成整根管材的扭转加工，扭转角度为360-1800°，得到扭转管材；
步骤五：将扭转管材在氢气/真空气氛中退火再进行碱洗与酸洗，将管材内部表面喷砂处理，随后继续在氢气/真空气氛中退火，将处理后的管材切割定尺，接着管材外表面打磨抛光，最终获得螺旋形管材成品。
所述步骤一中金属棒材为钼、钨及其合金。
所述步骤一和步骤四中加热温度为金属材料去应力退火到再结晶温度之间的温度。
所述步骤二中的锻造温度为金属材料再结晶温度。
所述步骤二中退火温度为金属材料去应力退火温度。
所述步骤三中热轧温度为0.25Tm到去应力退火温度，其中，Tm表示金属材料的熔点温度，热轧后退火温度为金属管材去应力退火温度。
所述步骤三中温轧温度为0.25Tm，Tm表示金属材料的熔点温度，温轧后退火温度为金属管材去应力退火温度。
所述步骤五中第一次退火温度和第二次退火温度均为金属管材去应力退火温度。
本发明金属管材各向异性调控加工方法的扭转加工装置，包括一端为设置在底座上的通过紧固器与棒坯或管坯固定连接的固定轴和另一端为设置在底座上的通过紧固器与棒坯或管坯旋转连接的旋转轴；
旋转轴通过导线与控制器一端相连，控制器另一端通过导线与电阻丝相连，电阻丝均匀缠绕在套设于棒坯或管坯的圆形加热电阻上。
本发明将与现有技术相比，有益效果如下：
(1)本发明可以应用于各类金属材料棒材和管材，对材料尺寸没有较大限制，成本低，再通过扭转加工，在加工过程中不会改变成品规格、成分，并能提升材料性能。
(2)本发明通过对棒坯进行扭转，将管材原来的轴向分布的显微组织调控为空间螺旋分布的纤维组织，进而改变向和径向穿晶与沿晶断裂占比，如此显著改善管材的各向异性和提升管材的整体性能。
附图说明
图1为本发明扭转加工装置的示意图。
图2是钼镧合金棒材在不同条件下扭转后的拉伸数据。
图3TZM合金棒材扭转加工应力应变曲线。
其中：1-紧固器；2-固定轴；3-底座；4-加热电阻；5-电阻丝；6-导线；7-控制器；8-导线；9-底座；10-旋转轴；11-紧固器；12-棒坯或管坯。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1一种金属管材各向异性调控的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：将去应力退火后直径13mm的光滑钼镧合金或TZM棒坯一端设置为固定端，另一端为旋转端，从固定端开始对光滑钼镧合金或TZM进行小区域加热至1000-1400℃，保温15min后开始扭转，直至完成整根棒坯的扭转加工，扭转角度为1000-3600°，得到扭转棒材；
步骤二：将扭转棒材在氢气气氛中加热至1300℃进行多道次锻造，每道次变形量2-3％，每道次回火2min，总变形量不大于10％，再在850℃退火50min，退火后去除扭转棒材的表面氧化层，得到光滑扭转棒材；
步骤三：将光滑扭转棒材进行切割并从心部对准深孔钻机械穿孔，再将机械穿孔后的光滑扭转棒材加热至800℃进行热轧，轧制多道次总变形量达到60-65％时在氢气气氛中850℃退火45min，随后再加热至500℃进行温轧，轧制多道次得到φ10X0.3mm规格时在氢气气氛中700℃退火50min，得到退火态管材；
步骤四：将退火态管材一端设置为固定端，另一端为旋转端，从固定端开始对轧制扭转棒材小区域加热至800℃，保温10min后开始扭转，直至完成整根棒材的扭转加工，扭转角度为1080°，得到扭转管材；
步骤五：将扭转管材在氢气气氛中700℃退火60min再进行碱洗与酸洗，将管材内部表面喷砂处理，随后继续在氢气气氛中700℃退火30min，将处理后的管材切割定尺，接着管材外表面打磨抛光，表面光洁度不低于0.8μm，最终获得螺旋形管材成品。
从图2可以看出相对于未扭转加工的棒材，扭转加工后的延伸率得到大幅提升。而且在1000℃扭转1800°后钼镧合金棒材的强度和塑性都有提高，因此探索适合于每一种金属合金的扭转参数是比较重要的。表1是对其管材扭转前后的轴向和周向拉伸测试数据，可以看出管材扭转后其轴向和周向强度和延伸率都有提高，且轴向和周向性能差距在缩小。
表1钼镧合金管材扭转加工前后性能
此外，对TZM钼合金棒材也做了一些尝试，其扭转后拉伸数据如图3所示，可以看出，不同的扭转条件下，对TZM合金力学性能都有影响，而且在1100℃，1080°扭转时强度和塑性提高较为明显。
实施例2：一种金属管材各向异性调控的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：去应力退火后直径15mm的光滑奥氏体不锈钢棒坯一端设置为固定端，另一端为旋转端，从固定端开始对光滑棒坯小区域加热至1350℃，保温15min后开始扭转，直至完成整根棒坯的扭转加工，扭转角度为1440°，得到扭转棒材；
步骤二：将扭转棒材在氢气气氛中加热至1300℃进行多道次锻造，每道次变形量2-3％，每道次回火2min，总变形量不大于10％，再在1100℃退火60min，退火后去除扭转棒材的表面氧化层，得到光滑扭转棒材；
步骤三：将光滑扭转棒材进行切割并从心部对准深孔钻机械穿孔，再将机械穿孔后的光滑扭转棒材进行冷轧，轧制多道次总变形量达到60-65％得到φ11.5X0.5mm在真空气氛中1000℃退火45min，然后水冷得到退火态管材；
步骤四：将退火态管材一端设置为固定端，另一端为旋转端，从固定端开始对轧制扭转棒材小区域加热至1100℃，保温10min后开始扭转，直至完成整根棒材的扭转加工，扭转角度为1080°，得到扭转管材；
步骤五：将扭转管材在真空气氛中1050℃退火60min再进行碱洗与酸洗，将处理后的管材切割定尺，接着在管材外表面打磨抛光，表面光洁度不低于0.8μm，最终获得螺旋形管材成品。
实施例3：一种金属管材各向异性调控的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：将去应力退火后后直径18mm的光滑钨铼合金棒坯一端设置为固定端，另一端为旋转端，从固定端开始对光滑棒坯小区域加热至1400，保温15min后开始扭转，直至完成整根棒坯的扭转加工，扭转角度为1080°，得到扭转棒材；
步骤二：将扭转棒材在氢气气氛中加热至1350℃进行多道次锻造，每道次变形量2-3％，每道次回火2min，总变形量不大于10％，再在1200℃退火120min，退火后去除扭转棒材的表面氧化层，得到光滑扭转棒材；
步骤三：将光滑扭转棒材进行切割并从心部对准深孔钻机械穿孔，再将机械穿孔后的光滑扭转棒材加热至1250℃进行热轧，轧制多道次总变形量达到60-65％时在氢气气氛中1150℃退火60min，随后再加热至750℃进行温轧，轧制多道次得到φ12X0.6mm规格时在氢气气氛中1100℃退火50min，得到退火态管材；
步骤四：将退火态管材一端设置为固定端，另一端为旋转端，从固定端开始对轧制扭转棒材小区域加热至1100℃，保温10min后开始扭转，直至完成整根棒材的扭转加工，扭转角度为1080°，得到扭转管材；
步骤五：将扭转管材在氢气气氛中1000℃退火90min再进行碱洗与酸洗，将管材内部表面喷砂处理，随后继续在氢气气氛中1000℃退火6min，将处理后的管材切割定尺，接着管材外表面打磨抛光，表面光洁度不低于0.8μm，最终获得螺旋形钨铼合金管材成品。
如图1所示的一种用于金属管材各向异性调控加工方法的扭转加工装置，包括一端为设置在底座3上的通过紧固器1与棒坯或管坯12固定连接的固定轴2和另一端为设置在底座9上的通过紧固器11与棒坯或管坯12旋转连接的旋转轴10；旋转轴10通过导线8与控制器7一端相连，控制器7另一端通过导线6与电阻丝5相连，电阻丝5均匀缠绕在套设于棒坯或管坯12的圆形加热电阻4上。
使用时将棒坯或管坯12的两端分别固定于紧固器1和紧固器11上，通过控制器7移动加热电阻4至棒坯或管坯12的固定端，再通过控制器7控制加热电阻4和电阻丝5的温度，使加热电阻4和电阻丝5在棒坯或管坯12一定范围内加热，同时在控制器7上设置好扭转角度，保温后旋转轴10开始扭转，完成后移动加热电阻4继续进行对棒坯或管坯12下一区域进行加热和扭转加工，直至完成整根棒坯或管坯的扭转加工。
Claims (9)
1.一种金属管材各向异性调控的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将去应力退火后的光滑金属棒材一端固定，另一端可旋转，从固定端开始对光滑金属棒坯进行小区域加热并保温后开始扭转，直至完成整根棒坯的扭转加工，扭转角度为360-3600°，得到扭转棒材；
步骤二：将扭转棒材在氢气或真空气氛中加热进行多道次锻造和回火，每道次变形量2-3％，总变形量不大于10％，再进行退火，退火后去除扭转棒材的表面氧化层，得到光滑扭转棒材；
步骤三：将光滑扭转棒材进行切割并机械穿孔，再将机械穿孔后的光滑扭转棒材进行热轧/冷轧，轧制多道次总变形量达到60-65％后在氢气/真空气氛中退火，随后再进行温轧，轧制多道次达到所需规格时在氢气气氛中退火，得到退火态管材；
步骤四：将退火态管材一端设置为固定端，另一端为旋转端，从固定端开始对退火管材进行小区域加热并保温后开始扭转，直至完成整根管材的扭转加工，扭转角度为360-1800°，得到扭转管材；
步骤五：将扭转管材在氢气/真空气氛中退火再进行碱洗与酸洗，将管材内部表面喷砂处理，随后继续在氢气/真空气氛中退火，将处理后的管材切割定尺，接着管材外表面打磨抛光，最终获得螺旋形管材成品。
2.如权利要求1所述的金属管材各向异性调控的加工方法，其特征在于：所述步骤一中金属棒材为钼、钨及其合金。
3.如权利要求1所述的金属管材各向异性调控的加工方法，其特征在于：所述步骤一和步骤四中加热温度为金属材料去应力退火到再结晶温度之间的温度。
4.如权利要求1所述的金属管材各向异性调控的加工方法，其特征在于：所述步骤二中的锻造温度为金属材料再结晶温度。
5.如权利要求1所述的金属管材各向异性调控的加工方法，其特征在于：所述步骤二中退火温度为金属材料去应力退火温度。
6.如权利要求1所述的金属管材各向异性调控的加工方法，其特征在于：所述步骤三中热轧温度为0.25Tm到去应力退火温度，其中，Tm表示金属材料的熔点温度，热轧后退火温度为金属管材去应力退火温度。
7.如权利要求1所述的金属管材各向异性调控的加工方法，其特征在于：所述步骤三中温轧温度为0.25Tm，Tm表示金属材料的熔点温度，温轧后退火温度为金属管材去应力退火温度。
8.如权利要求1所述的金属管材各向异性调控的加工方法，其特征在于：所述步骤五中第一次退火温度和第二次退火温度均为金属管材去应力退火温度。
9.一种用于权利要求1-8任一项所述加工方法的扭转加工装置，其特征在于：包括一端为设置在底座(3)上的通过紧固器(1)与棒坯或管坯(12)固定连接的固定轴(2)和另一端为设置在底座(9)上的通过紧固器(11)与棒坯或管坯(12)旋转连接的旋转轴(10)；
旋转轴(10)通过导线(8)与控制器(7)一端相连，控制器(7)另一端通过导线(6)与电阻丝(5)相连，电阻丝(5)均匀缠绕在套设于棒坯或管坯(12)的圆形加热电阻(4)上。
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