TWI633949B - 製造無縫複合管狀產品之方法，及管狀组件 - Google Patents

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Abstract

一種製造無縫複合管狀產品之方法包括將一金屬或合金離心地鑄造成一具有一內徑之管狀工件。該方法接著在該管狀工件之該內徑中離心地鑄造一耐蝕合金以形成具有一內徑及一外徑之一複合管狀工件。該複合管狀工件之該內徑由該耐蝕合金形成，且該外徑由該金屬或合金形成。該方法接著使用一金屬成形製程使該複合管狀工件在該工件之一再結晶溫度以下之一溫度下經歷至少約25%之壁厚減小。該金屬成形製程包括徑向鍛造、輥軋、皮爾格式軋管及/或流動成形。

Description

製造無縫複合管狀產品之方法，及管狀组件 [相關申請案之交叉引用]
本申請案係於2010年8月13日申請之美國專利申請案第12/856,336號的部分接續案，該美國專利申請案主張於2009年8月17日申請之美國臨時專利申請案第61/234,400號之優先權，該臨時專利申請案之揭示內容以全文引用的方式併入本文中。
本發明大體而言係關於無縫管狀組件，且更明確言之，本發明係關於使用擠壓金屬成形製程由離心鑄造之耐蝕合金來製造高強度之複合無縫管狀組件。
高強度之耐蝕無縫管狀组件具有許多商業應用。舉例而言，具有高強度且在應力、腐蝕性及侵蝕性環境下抗失效的耐用管狀組件用於油井管(OCTG)中，且其他類型之管狀組件用於自井中採集油、氣或其他流體。歸因於井中苛刻之井內條件及/或井周圍之惡劣環境，需要此等耐用组件。然而，隨著井變深，井中之井內條件可能會限制對能夠耐受此等環境之管狀組件的選擇。通常，較深之井中的溫度及壓力較高，且可能具有腐蝕性氣氛，例如，硫化氫、二氧化碳、氯化物、相關聯之烴及/或酸性環境。重量因素亦可能係一關注點，因為在較深之井中必須使用更多管狀组件 且將更多管狀组件聯結在一起。
因而，此等管狀组件之材料選擇標準已變得日益重要，因為它們可能會因以下因素而在相對較短之時間內失效，諸如應力腐蝕破裂、腐蝕坑點、侵蝕磨損及一般的壁破損(例如，藉由降低组件之抗爆裂及擠毀壓力)。目前，已將高強度之耐蝕合金而非傳統之碳鋼用於處於此等種類之苛刻條件下的井內管狀組件。此等管狀組件通常由不鏽合金、雙相(奧氏體-鐵素體)不鏽合金及鎳基合金製成，例如以下合金，如合金28、625、718、825、925、G-3、050、C-276、22Cr、25Cr、Nickel 200、Monel 400及Inconel 600。组件之抗失效性可能會受許多因素影響，該等因素包括组件材料之化學性、合金元素之性質及量、組件之尺寸(諸如較厚之壁厚度耐受較高之爆裂及擠毀壓力)及材料之微結構，該微結構受组件之製造方法(例如機械加工)及组件之任何熱處理之性質所影響。
管狀组件可藉由許多不同之製造方法來形成。一類製造方法為鑄造，鑄造係指通常將液體材料傾注至模具中且接著使該液體材料固化。該模具含有具有组件之所希望形狀的中空空腔。固化成之零件亦被稱作鑄件，一旦鑄件已充分冷卻，通常便接著自模具移除鑄件。金屬及合金可藉由此製程而成形。然而，鑄態组件通常包括較大之晶粒度且可能會含有鑄疵，諸如孔隙度及非金屬夾雜物。
相比於此製造方法有些許改變的係離心鑄造。在離心鑄造過程中，在將熔融材料傾注至模具中時，使模具繞其軸線以各種速度(例如，300rpm至3000rpm)旋轉。旋轉速度及材料傾注速率隨所用材料以及所鑄造之组件的大小及形狀而變。當將熔融材料傾注至旋轉中之模具中時，熔融材料會被扔向模具外壁，模具外壁通常保持在遠低於熔融材料之溫度下，在模具外壁處熔融材料一 冷卻便開始固化。在模具外壁附近，相對快速地發生非均勻成核，且在組件之外徑中在鄰近模具處在外部區中通常獲得細等軸晶粒結構。模具之此快速冷卻效應在組件之壁上引致定向固化。在平行於熱流方向之每一柱狀晶粒中，柱狀區開始以樹枝狀之生長方向而形成。當此等晶體遇到在內部區中自组件之內徑開始生長的晶粒時，此等晶體之生長停止。由於组件之內徑與空氣接觸，因此內部區中之固化速率遠低於外部區中之固化速率，從而在內徑中產生比组件之中間區域或外徑中之晶粒粗的晶粒。因此，相較於常規鑄造，離心鑄造通常產生較細晶粒結構，其中具有細晶粒之外徑，但在內徑中通常具有較多雜質及夾雜物。
然而，所得離心鑄造组件對後續之金屬成形製程提出許多挑戰，此歸因於其在各個區中之不同晶粒度以及其徑向取向之柱狀晶粒結構。歸因於此等難點，鑄造及離心鑄造之组件經常要經歷後續之溫或熱成形製造方法，該等製造方法係在該材料之再結晶溫度以上進行；或者要經歷在金屬成形製程之間的多個退火步驟。然而，溫及熱成形製程影響组件之機械性質及尺寸精確性，使得難以滿足具有嚴格容限之要求。另外，離心鑄造组件尚未被允許用於內部壓力高或存在腐蝕性及/或侵蝕性產品(諸如在使用OCTG组件之環境中)的應用。離心鑄造製程往往產生具有造成裂紋開裂位點的非所希望之孔隙度的微結構。離心鑄造组件亦可展現出溶質合金元素分離成拉弗斯相及碳化物相，此視鑄造期間所用之模具速度而定。微結構結果表明，離心鑄造中之主要裂紋或斷裂路徑經常與樹枝狀晶間區域中之碳化物相或拉弗斯相(Laves phase)相關聯。眾所周知的係，合金不均質性會導致在室溫及高溫下材料之拉伸及潛變破壞效能降低。離心鑄造組件的主要問題之一係在壁厚度之整個截面上非均勻之微結構。條紋結構使材料之 物理及機械性質降級且導致分層。
根據本發明之一個實施例，一種製造一無縫複合管狀產品之方法包括將一金屬或合金離心地鑄造成一具有一內徑之管狀工件。該方法接著在該管狀工件之該內徑中離心地鑄造一耐蝕合金以形成具有一內徑及一外徑之一複合管狀工件，該複合管狀工件之該內徑由該耐蝕合金形成且該複合管狀工件之該外徑由該金屬或合金形成。該方法接著使用一金屬成形製程使該複合管狀工件在該複合管狀工件之一再結晶溫度以下之一溫度下經歷至少約25%之壁厚減小。該金屬成形製程包括徑向鍛造、輥軋、皮爾格式軋管及/或流動成形。
在一些實施例中，該方法進一步包括在離心地鑄造該耐蝕合金之前在該管狀工件之該內徑中離心地鑄造一或多種金屬或合金。該壁厚減小可為至少約35%或至少約50%。該35%或50%之壁厚減小可包括至少兩次減小。第一次減小可為至少約25%之壁厚減小。該耐蝕合金可包括一不銹鋼合金、一鈦基合金、一鎳基合金、一鈷基合金及/或一鋯基合金。該方法可進一步包括在使該複合管狀工件經歷該壁厚減小之前自該複合管狀工件之該外徑移除材料。該方法可進一步包括在使該複合管狀工件經歷該壁厚減小之後對該複合管狀工件退火。該方法可進一步包括在對該複合管狀工件退火之後使該複合管狀工件經歷至少約10%之壁厚減小。該方法可進一步包括在使該複合管狀工件經歷該壁厚減小之前對該工件退火、時效硬化及接著退火。該方法可進一步包括在該複合管狀工件之一內徑上形成一膛線。該金屬成形製程可進一步包括提供相對於該複合管狀工件沿一軸向方向彼此具有一位移的至少兩個輥子，及使用軸向力與徑向力之一組合在該複合管狀工件之該 再結晶溫度以下之一溫度下以該等輥子擠壓該複合管狀工件之該外徑，使得該心軸接觸該內徑且對該複合管狀工件之該內徑施與一周向壓應力。該方法可進一步包括在離心地鑄造該耐蝕合金之前自該管狀工件之該內徑移除材料。該方法可進一步包括在使該複合管狀工件經歷該壁厚減小之前自該複合管狀工件之該內徑移除材料。該壁厚減小可為約25%至約75%。實施例可包括一種根據該方法製造之管狀组件。
10‧‧‧流動成形裝置
12‧‧‧心軸
14‧‧‧尾架
16‧‧‧輥子
18‧‧‧工件
19‧‧‧可移動載座
20‧‧‧軸線
22‧‧‧方向
24‧‧‧方向
26‧‧‧壁厚度
28‧‧‧長度
30‧‧‧長度
32‧‧‧壓圈
34‧‧‧頭座
36‧‧‧噴嘴
100‧‧‧步驟
110‧‧‧步驟
120‧‧‧步驟
A1‧‧‧距離
A2‧‧‧距離
K‧‧‧角度
R1‧‧‧距離
R2‧‧‧距離
S0‧‧‧流動成形遍次之前的工件之壁厚度
S1‧‧‧流動成形製程之後的工件之壁厚度
v‧‧‧方向
W‧‧‧軸
X‧‧‧輥子
Y‧‧‧輥子
Z‧‧‧輥子
參考以下參看附圖所作之詳細描述將更易於理解本發明之前述特徵，在附圖中：圖1示出了根據本發明之實施例的製造無縫複合管狀產品之製程；圖2係示出了根據本發明之實施例的在冷加工之前的離心鑄造管之橫截面圖的巨觀照片；圖3係示出了根據本發明之實施例的在冷加工之前的離心鑄造不銹鋼管之縱截面圖的顯微照片；圖4係示出了根據本發明之實施例的在冷加工之前的離心鑄造不銹鋼管之縱橫截面圖的顯微照片；圖5A及圖5B係分別示出了圖2中所示之離心鑄造管之內部區及外部區中的鑄態微結構的顯微照片；圖6示意性地示出了根據本發明之實施例的說明性流動成形裝置；圖7示意性地示出了根據本發明之實施例的經歷前向流動成形製程之工件的側視圖；圖8示意性地示出了根據本發明之實施例的經歷反向流動成形製程之工件的側視圖； 圖9示意性地示出了根據本發明之實施例的輥子之透視圖；圖10示意性地示出了根據本發明之實施例的其中工件經歷前向流動成形製程的輥子組態之側視圖；圖11示出了根據本發明之實施例的已經歷自緊製程的由超合金材料製成之管狀組件的殘餘周向應力分佈之圖；圖12係示出了根據本發明之實施例的在流動成形之後的一離心鑄造不銹鋼管之縱截面圖的顯微照片；及圖13A及圖13B係在500倍放大率下分別示出圖10中所示的經流動成形之離心鑄造不銹鋼管的外徑區域及內徑區域的顯微照片。
本發明之各種實施例提供了由離心鑄造之耐蝕合金製造無縫複合管狀產品的方法。該方法需要離心地鑄造金屬或合金，例如鋼或耐蝕合金，以在離心鑄件中形成外層或殼層，且接著使用該殼層作為模具以在隨後離心地鑄造耐蝕合金，以便形成由至少該兩種材料製成之複合管狀工件。該製程接著對該複合管狀工件進行冷加工，其中使用金屬成形製程(諸如流動成形)來達成至少約25%之壁厚減小，以便在將工件形成為所希望之長度、厚度及/或形狀時將兩個或兩個以上層結合或包覆在一起。亦可使用其他金屬成形製程，諸如徑向鍛造、輥軋及/或皮爾格式軋管。較佳地，金屬成形製程包括一連串愈來愈小之減小。通常，在如小胚或擠出物等熟料中，若使用較小增量之流動成形遍次，則組件之外徑附近的材料經歷足以使材料塑性變形的變形，但內徑則未充分塑性變形。不可接受的係，此情況導致材料斷裂。令人驚訝地，發現在離心地鑄造耐蝕合金之過程中，可使用一連串較小增量之遍次且允許較大的徑向取向之晶粒結構沿縱向方向重新排列。此可 部分歸因於在離心鑄造组件之內徑及外徑中存在不同晶粒結構。當使用至少25%之壁厚減小時，工件之外徑及內徑均足夠充分地塑性變形。在此最初之第一次減小之後，亦可使用較小增量之減小。因此，實施例允許離心地鑄造複合工件使之形成為高強度之複合耐蝕組件，而無需經歷一連串之熱加工及冷加工管厚減小。下文論述說明性實施例之細節。
圖1示出了根據本發明之實施例的製造無縫複合管狀產品之製程。該製程開始於步驟100，其中將一金屬或合金離心地鑄造成管狀工件以便形成用於另一離心鑄造之模具。舉例而言，可將能夠被離心地鑄造之任何金屬或合金用於外層或模具，諸如鋼或另一耐蝕合金。在步驟110中，在管狀工件之內徑中離心地鑄造一耐蝕合金以便形成複合管狀工件。較佳地，第二離心鑄件形成於第一離心鑄件之內徑中，其方式為使得減少或消除在該兩個鑄件之間形成任何金屬間層。用以減少或消除任何金屬間層之形成的適當方法在此項技術中係已知的，例如美國專利第5,558,150號，該案以全文引用的方式併入本文中。亦可在離心地鑄造耐蝕合金之前在管狀工件之內徑中離心地鑄造一或多種其他金屬或合金，以便形成多層複合管狀工件。耐蝕合金可包括不銹鋼合金、鈦基合金、鎳基合金及/或鋯基合金(例如，以下合金，如合金28、316、625、718、825、925、G-3、050、C-276、22Cr、25Cr、雙相不銹鋼、Nitronic不銹鋼、Nickel 200、Monel 400及Inconel 600)。耐蝕合金可用於各種不同應用中。因此，對特定合金之此列舉僅意欲說明適合用於本發明之實施例中的材料。
離心鑄造製程可視所用材料及所製造之零件的尺寸而使用各種參數(例如，旋轉速度、冷卻速率等)。舉例而言，316不銹鋼材料可經形成而具有一吋厚之側壁。如上文所提及，冷加工之前的 離心鑄造管狀工件通常包括三個基本固化區，諸如圖2中所示。如圖所示，外部區由工件之外徑附近的細等軸晶粒結構組成，柱狀區由平行於徑向方向取向之柱狀晶粒組成，且內部區由粗等軸晶粒結構組成。圖3及圖4係分別示出了在冷加工之前的離心鑄造316不銹鋼管之縱截面圖及橫截面圖的顯微照片，其示出了徑向取向的大柱狀晶粒結構。在該複合管狀工件中，由金屬或合金形成之外層及由耐蝕合金形成之內層可各自包括該三個固化區。
對於可熱處理或可時效硬化之材料，諸如410不銹鋼或718 Inconel，可在兩個離心鑄造製程之後對工件使用可選熱處理。舉例而言，可對工件進行時效硬化及退火一次或一次以上。熱處理循環中之相轉變可有助於在使用任何後續金屬成形製程之前減少離心鑄件中之大的柱狀晶粒。熱處理可包括退火、時效硬化及退火處理以便破碎及稍稍細化鑄造晶粒結構。
在離心鑄造之複合管狀工件中，與工件之其餘部分相比，內部區通常具有有限之延性，此情況部分歸因於此區中存在較高之孔隙度。舉例而言，圖5A及圖5B係分別示出了內部區及外部區中之鑄態微結構的顯微照片。如圖所示，內部區中存在比外部區中高之孔體積分率。造成金屬及合金中之孔隙度的基本原因之一係固化期間之氣體逸出。在離心鑄造過程中，當將熔融材料傾注至旋轉中之模具中時，可能會在材料中形成氣泡。由於此等氣泡具有低密度，因此它們經受之離心力比熔體低，且將傾向於聚集於內部區中在離心鑄造组件之內徑上。延性在該三個區之間不均勻會在後續處理階段期間引入風險因素。因此，在設計加工級期間需要考慮每一區經歷之變形的量，以在最終產品中沿管之寬度維持均勻品質。
返回圖1中之製程，在步驟120中，使用金屬成形製程使複合 管狀工件在該複合管狀工件之再結晶溫度以下之溫度下經歷至少25%之壁厚減小。視情況地，可藉由任何已知移除製程(諸如機械加工或搪磨)自複合管狀工件之內徑移除材料。雖然其餘論述將在使用流動成形作為金屬成形製程之上下文中進行，但對流動成形之論述僅為說明性的且不意欲限制各種實施例之範疇。因此，金屬成形製程可包括施加擠壓力以減少管狀工件之內徑及外徑以便獲得組件之壁厚度減小的其他金屬成形製程，諸如輥軋、徑向鍛造及皮爾格式軋管。
流動成形為用以製造精確、薄壁、圓柱形组件之金屬成形製程。通常藉由使用來自兩個或兩個以上輥子之軸向力、徑向力及切向力的組合將圓柱形工件之外徑壓在內部之旋轉心軸上來進行流動成形。該材料受擠壓超過了其屈服強度，導致材料塑性變形。結果，工件之外徑及壁厚度減小，同時其長度增加，直至達成组件之所希望幾何形狀為止。流動成形為冷成形製程。雖然自塑性變形產生絕熱熱量，但工件、心軸及輥子通常遍佈有經製冷之冷卻劑以使該熱量耗散。此確保材料在其再結晶溫度以下良好運作。作為冷成形製程，流動成形提高材料之強度及硬度、使材料紋理化，且通常達成比發明人已知之任何溫或熱成形製造方法更接近要求的機械性質及尺寸精確度。
流動成形方法之兩個實例為前向流動成形及反向流動成形。一般言之，前向流動成形可用於形成具有至少一個閉合或半閉合端之管或组件(例如，閉合圓柱體)。反向流動成形一般可用於形成具有兩個敞開端之管或组件(例如，具有兩個敞開端之圓柱體)。在一些情況中，可利用前向流動成形與反向流動成形之組合來成功地達成所希望之幾何形狀。通常，可藉由更換必要之工具來在同一流動成形機器上進行前向流動成形及反向流動成形。
圖6示意性地示出了根據本發明之一些實施例的說明性流動成形裝置10。在此種情況中，流動成形裝置10係針對前向流動成形而組態。流動成形裝置10包括用於固持圓柱形工件18之心軸12、將工件18固定至心軸12上之尾架14、用於將力施加至工件18之外表面的兩個或兩個以上輥子16及耦接至輥子16之可移動載座19。如圖6中所示，輥子16可相對於工件18之中心軸彼此等距地成角度。輥子16可為水力驅動的及CNC控制的。
圖7示出了經歷前向流動成形製程之工件18的側視圖。在此製程期間，可將工件18放在心軸12上，其中工件之閉合或半閉合端朝向心軸12之末端(在心軸之右側，如圖6中所示)。可(例如)藉助來自尾座14之水力藉由尾座14使工件18抵靠心軸18之末端固定。心軸12及工件18接著可繞軸線20旋轉，同時輥子16移動至沿工件18之長度在所希望位置處與工件18之外表面接觸的位置中。頭座34使心軸12旋轉或驅動心軸12，且尾座14提供額外幫助來使心軸12旋轉，使得長心軸12恰當地旋轉。
載座19接著可使輥子16沿工件18移動(如圖6中所示，自右至左行進)，大體上沿方向24。輥子16可將一或多個力施加至工件18之外表面以減小其壁厚度26及其外徑，例如，使用受控之徑向力、軸向力及切向力之組合。可使用一個或兩個噴嘴36來將冷卻劑噴灑至輥子16、工件18及心軸12上，但可使用更多噴嘴來耗散在工件18經歷量較大之塑性變形時產生的絕熱熱量。心軸12可甚至沒入冷卻劑中(未圖示)，例如在槽式裝置中，使得冷卻劑聚集並集中於心軸12上以使工件18保持冷卻。
輥子16可以足夠之力來擠壓工件18之外表面，使得材料塑性變形且沿大體上平行於軸線20之方向22移動或流動。輥子16可位於與心軸12之外徑或工件18之內壁相距任何所希望距離處，以產 生沿工件18之長度可為恆定的或變化的壁厚度26，如圖7中所示。長度28表示工件18的已經歷流動成形製程之部分，而長度30為已變形之部分。此製程被稱作「前向流動成形」係因為變形材料沿與輥子移動之方向24相同之方向22流動。
在反向流動成形中，可以與圖6中所示之方式類似的方式來組態流動成形裝置，但使用壓圈(drive ring)32而非尾座14將工件18固定至心軸12。如圖6中所示，壓圈32位於頭座34附近在心軸12之另一端處。圖8示出了經歷反向流動成形製程之工件的側視圖。在此製程期間，可將工件18放在心軸12上且一直推到頂住心軸12之一端處的壓圈32(如圖6中所示，在左側)。輥子16可移動至沿工件18之長度在所希望位置處與工件18之外表面接觸的位置中。載座19可接著移向壓圈32(如圖6中所示，沿右至左之方向)，從而將力施加至工件18。該力可將工件18推至壓圈32中，在壓圈32中，工件18可被壓圈32面上之一連串鋸齒狀突起或其他固定構件俘獲或固定。此允許心軸12及工件18繞軸線20旋轉，同時輥子16可將一或多個力施加至工件18之外表面。材料塑性變形且沿大體上平行於軸線20之方向23移動或流動。類似於前向流動成形，輥子16可定位於與心軸12之外徑或工件18之內壁相距任何所希望距離處，以產生沿工件18之長度可為恆定的或變化的壁厚度26。長度28表示工件18的已經歷流動成形製程之部分，而長度30為已變形之部分。在對工件18加工時，工件18遠離壓圈32沿心軸12之長度而延伸。此製程被稱作「反向流動成形」係因為變形材料沿與輥子移動之方向24相反之方向22流動。
除了在光滑心軸上使零件流動成形以產生經流動成形之管的光滑內徑之外，亦可將栓槽或膛線形成至經流動成形之管的孔中。此可藉由對心軸12之外表面進行建構以在對工件進行流動成 形時對工件之內表面賦予膛線、凹槽、凹口或其他組態而達成。舉例而言，心軸可經建構而在其表面上具有螺旋形的、直的、週期性的或其他所希望的脊狀物。在最後之流動成形遍次完成之後，此等脊狀物在工件之內表面中留下膛線、凹槽、凹口及/或其他組態。或者，在流動成形製程完成之後，可藉由(例如)對工件之內表面進行適當機械加工來對工件之內表面賦予膛線及/或其他組態。
當材料塑性變形且在旋轉輥子之設置下被截留/壓緊至硬心軸上時，可一次實現大的壁厚減小。在離心地鑄造耐蝕合金之過程中，若每流動成形遍次使用小於20%之壁厚減小，則工件之最外部分可塑性變形，但最接近於內部心軸之材料可能不具有足夠之塑性變形且材料可能會在加工期間被災難性地撕裂。然而，若在一個遍次中使用過大之壁厚減小(例如，大於75%或可能甚至低至65%)，則工件可能不能夠以可接受之方式進行加工。流動成形製程無法大幅度地移動材料，且內徑形成粗糙紋理。因此，發現在第一遍次時需要某一量之壁厚減小，且如需要則在第一遍次之後使用較小之減小。當使用至少25%之壁厚減小時，工件之外徑及內徑均足夠充分地塑性變形。流動成形製程均勻地「細化」晶粒大小且使微結構沿與經流動成形之管的中心線平行之縱向方向相對均勻地重新排列。可在一或多個流動成形遍次中進行流動成形製程。當使用兩個或兩個以上遍次時，較佳的係，第一遍次大於後續遍次且為至少25%之壁厚減小。舉例而言，對於使用一個以上遍次達成35%之壁厚減小，第一遍次可為至少25%之壁厚減小且第二遍次可為10%之壁厚減小。在另一實例中，對於使用一個以上遍次達成50%之壁厚減小，第一遍次可為至少25%之壁厚減小，第二遍次可為15%之壁厚減小，且第三遍次可為10%之壁厚減小。較佳 地，在一個遍次中，壁厚減小之範圍係約25%至約75%。
就一定程度之冷加工而言，材料之硬度及拉伸強度增加，而延性及衝擊值降低。另外，將經由冷加工變形基本上消除鑄件之孔隙度。冷加工亦通常減小材料之晶粒度。當對材料進行冷加工時，微觀缺陷在變形區域內成核。在缺陷經由變形而積累時，缺陷之滑動或移動變得愈來愈難以發生。此導致材料之硬化。若材料經歷過多冷加工，則硬化材料可能斷裂。因此，隨著進行每一流動成形遍次，材料變得更硬且延性更小，因此在第一遍次之後可使用一連串愈來愈小之減小。
除了雙軸強度及耐磨性增加之外，實施例亦可在組件之內徑處提供由自緊製程引致之殘餘壓應力。自緊法為對管狀组件使用以藉由在孔處產生殘餘壓應力而向管提供增加之強度及疲勞壽命的金屬製作技術。在典型自緊製程期間，在组件內施加壓力，導致內表面處之材料經歷塑性變形，而外表面處之材料經歷彈性變形。結果係在移除壓力之後，存在殘餘應力之分佈，從而在组件之內表面上提供殘餘壓應力。在本發明之實施例中，在最後之流動成形遍次中，輥子16可經組態以使得輥子使用軸向力與徑向力之組合來擠壓工件之外徑，以使得用足夠之力將工件18之內徑壓在心軸12上使得內徑足夠充分地塑性變形，從而對內徑施與壓應力。此可藉由將輥子彼此充分拉開來達成。與工件18僅僅自心軸12釋放或自心軸12往回彈開(此情況通常發生在標準之流動成形製程期間)相比，流動成形製程接著使工件18壓靠在心軸12上且夾緊心軸12。以此方式，使內徑壓在心軸12上對經流動成形之組件的內徑施與周向壓應力。
圖9及圖10分別示出了根據本發明之實施例的輥子組態之透視圖及側視圖。圖9示出了容納三個流動成形輥子(在圖10中示出 為X、Y及Z)之載座，該等輥子可沿三個軸線(示出為X、Y及Z軸)移動且繞著主軸線徑向定位，例如彼此相隔120°。雖然該等圖示出了三個輥子，但該製程可使用兩個或兩個以上輥子。可獨立程式設計之X、Y及Z輥子提供必要之徑向力，而W軸之右至左可程式設計饋料運動施加軸向力。該等輥子中之每一者可具有特定幾何形狀以在成形製程期間發揮其特定作用。另外，輥子16之位置可相對於彼此錯開。錯開之量可變化且可基於工件之初始壁厚度及在給定流動成形遍次中所希望之壁厚減小的量。舉例而言，如圖10中所示，So示出了給定流動成形遍次之前的工件之壁厚度，且S1示出了其在流動成形製程之後的壁厚度，其中輥子16沿v方向移動。輥子16可沿工件18之軸向方向(圖9中示出為W軸)軸向錯開且可相對於工件之中心線或內徑徑向錯開(沿X、Y及Z軸)，較佳地，以將相對均勻之擠壓施加至工件18之外側。舉例而言，如圖10中所示，沿著工件18之軸向方向，輥子X可與輥子Y分隔一位移或距離A1且可與輥子Z分隔一距離A2。類似地，輥子X可沿徑向自工件之內徑移置一距離S1，該距離為在給定流動成形遍次之後工件18之所希望壁厚度，輥子Y可沿徑向移置一距離R1，且輥子Z可沿徑向移置一距離R2。如圖所示，一旦已判定軸向錯開量，便可使用角度K來幫助判定徑向錯開量。
輥子X、Y及Z彼此相隔愈遠，施與工件之晶粒結構的螺線扭曲就愈大。應在工件18之內徑與心軸12之間使用潤滑劑，以便減少工件18在此製程期間卡到或夾到心軸12上之問題。以此方式，施與组件之周向壓應力將降低裂紋開裂之可能性且減慢可在組件之內徑上開裂之任何裂紋的生長速率，有效地改良管狀組件之疲勞壽命。此製程之一個益處為施與內徑之壓應力的量可視輥子組態而沿管之長度變化。舉例而言，輥子可經組態以使得壓應力僅 施與管之一部分，例如，管之一端或中間。
圖11示出了已經歷自緊製程的由超合金材料製成之管狀組件的殘餘周向應力分佈之圖。如圖所示，形成了由L-605材料製成之三個管狀工件，且根據本發明之實施例，減小每一工件之壁厚度，分別為約61%、30%及20%之總壁厚減小。在此種情況中，三個樣本之最終尺寸為內徑約一吋且壁厚度約0.100-0.150”。如圖11中所示，每一工件在其內表面處展現出殘餘壓應力，其中對於該等樣本中所量測之深度，在工件內仍感測到較小之殘餘壓應力。20%壁厚減小之工件比61%壁厚減小之工件在內表面處(例如，距內表面0深度處)展現出較高之殘餘周向應力，但61%之較高壁厚減小比30%或20%之工件在工件內(例如，深度約5-40×10-3吋)展現出較大之壓應力。
圖12係示出了經歷流動成形製程的離心鑄造316不銹鋼管之縱截面圖的顯微照片。蝕刻該樣本以便示出晶粒結構。組件之外徑示出於圖12之頂部處，且內徑示出於底部處。圖13A及圖13B係在500倍放大率下分別示出經流動成形之離心鑄造316不銹鋼管的外徑區域及內徑區域的顯微照片。如圖所示，該兩個區域中晶粒結構經歷之冷加工的量明顯不同。在外徑中，晶粒結構比內徑變形更多且更平整，其中晶粒基本上沿與經流動成形之组件的中心線平行之縱向方向排列。在內徑中，晶粒結構之變形比外徑少，其中晶粒具有朝向徑向方向些微成角度之晶粒流。離心鑄造的經流動成形之組件的外徑亦展現出與內徑明顯不同之硬度性質。外徑附近之硬度被測得為洛氏C 39-42之硬度等級，而內徑附近之硬度為洛氏C 26-29。
在一或多個流動成形遍次之後，组件可經歷額外後加工，諸如熱處理。如熟習此項技術者所知，已藉由冷加工硬化之材料可 藉由退火來軟化。退火可視所用熱處理之溫度及持續時間而釋放應力、允許晶粒生長或恢復合金之原始性質。延性亦可藉由退火來恢復。因此，在熱處理之後，组件可經歷一或多個額外的流動成形遍次而不會斷裂。
如上文所提及，金屬成形可包括流動成形以外的其他冷加工製程，諸如皮爾格式軋管、徑向鍛造及/或輥軋。如熟習此項技術者所知，在皮爾格式軋管製程中，使管狀組件旋轉，且藉由在固定之錐形心軸上鍛造及逐步地延長管從而使管減小來減小該管狀組件。兩個輥子或模(各自具有沿圓周延伸的錐形之半圓形凹槽)自上及自下接合該管且在該管上(傳送長度)前後滾動，同時固定之錐形心軸固持在成品管之中心。在衝程或傳送開頭，在兩個相對輥子之凹槽之間形成的圓形截面對應於管之直徑及心軸之最厚部分。在模在管上向前移動時，該圓形截面之面積減小，直至在傳送長度之終點該圓形截面對應於成品管之外徑且內部之心軸直徑對應於成品管之內徑為止，產生長度較長、外徑及內徑較小之成品管。如熟習此項技術者所知，徑向鍛造製程可包括移入及移出且在心軸上錘打工件的四個錘頭。驅動器及止推固持器(counter holder)使工件在心軸上移動且移動至往復運動之錘頭中。如熟習此項技術者所知，旋轉模鍛製程可包括多個模，該等模在工件在心軸上推動且進入鐓鍛/模鍛該材料之模中時作為整體在固定殼體內部旋轉。
雖然上文之論述揭示了本發明之各種示例性實施例，但將顯而易見，熟習此項技術者可在不脫離本發明之真實範疇的情況下作出將達成本發明之一些優點的各種修改。

Claims (15)

  1. 一種製造一無縫複合管狀產品之方法，該方法包含：將一金屬或合金離心地鑄造成一具有一內徑之管狀工件；在該管狀工件之該內徑中離心地鑄造一耐蝕合金以形成具有一內徑及一外徑之一複合管狀工件，該複合管狀工件之該內徑由該耐蝕合金形成且該外徑由該金屬或合金形成；及使用一金屬成形製程使該複合管狀工件經歷至少約25%之壁厚減小，該金屬成形製程包含提供相對於該複合管狀工件沿一軸向方向彼此具有一位移的至少兩個輥子；及使用軸向力與徑向力之一組合在該複合管狀工件之該再結晶溫度以下之一溫度下以該等輥子擠壓該複合管狀工件之該外徑，以使該複合管狀工件之該內徑具有周向壓應力。
  2. 如請求項1之方法，進一步包含在離心地鑄造該耐蝕合金之前在該管狀工件之該內徑中離心地鑄造一或多種金屬或合金。
  3. 如請求項1之方法，其中該壁厚減小為至少約35%且包括至少兩次減小，其中第一次減小為至少約25%之壁厚減小。
  4. 如請求項1之方法，其中該壁厚減小為至少約50%。
  5. 如請求項4之方法，其中該至少約50%之壁厚減小包括至少兩次減小，其中第一次減小為至少約25%之壁厚減小。
  6. 如請求項1之方法，其中該耐蝕合金包括一不銹鋼合金、一鈦基合金、一鎳基合金、一鈷基合金或一鋯基合金。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包含在使該複合管狀工件經歷該壁厚減小之前自該複合管狀工件之該外徑移除材料。
  8. 如請求項1之方法，其進一步包含在使該複合管狀工件經歷 該壁厚減小之後對該複合管狀工件退火。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包含在對該複合管狀工件退火之後使該複合管狀工件經歷至少約10%之壁厚減小。
  10. 如請求項1之方法，其進一步包含在使該複合管狀工件經歷該壁厚減小之前對該工件退火、時效硬化及接著退火。
  11. 如請求項1之方法，其進一步包含在該複合管狀工件之一內徑上形成一膛線。
  12. 如請求項1之方法，其進一步包含在離心地鑄造該耐蝕合金之前自該管狀工件之該內徑移除材料。
  13. 如請求項1之方法，其進一步包含在使該複合管狀工件經歷該壁厚減小之前自該複合管狀工件之該內徑移除材料。
  14. 如請求項1之方法，其中該壁厚減小為約25%至約75%。
  15. 一種管狀组件，其根據請求項1之方法製造。
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