發布日期：2021-9-8 23:31:51
自 1950 年美國鈦金屬公司生產的第一個鈦合金產品問世以來，已研制出的鈦合金有數百種，其中應用較廣泛的有： Ti-6Al-4V 、 Ti-5Al-2.5Sn 、 Ti-6242 、Ti-6246 、 Ti-1023 等合金。 目前我國鈦加工材料每年的產量大約在 5×10 4 t ，其中管材的產量約占 20% [1] 。鈦管相對傳統鋼管、不銹鋼管、銅合金管等有很多優點，如，耐腐蝕性好，特別是耐海水腐蝕、生物腐蝕；比強度高，在保證結構強度和穩定性的同時，可以達到減重的目的；合金種類多，可滿足各個領域的使用要求；生物相容性好，能穩定存在在生物體組織中；加工性能好，容易焊接等。由于鈦管材的加工難度大，對設備要求高，在我國鈦管的應用受到限制， 主要還是以代替傳統鋼管為主。但國外，鈦合金管材已在各個領域得到廣泛應用，特別是在航空、航天中。 本文主要總結了鈦合金無縫管的研制技術、應用現狀及發展趨勢，為其在各領域廣泛和成熟的應用提供指導。
1、鈦合金無縫管材研制現狀
目前國際上鈦管材的制造工藝已基本成熟。 管坯的制造主要有鉆孔擠壓和斜軋穿孔，再通過軋制、拉拔、 旋壓等方法制備出不同規格和用途的成品管材。 對于低強度、 低合金化的鈦材 （如 TA1 、 TA2 、TA3 、 TA5 等）通常采用多道次冷軋并配合真空退火工藝制造管材， 而對于中、 高強度鈦材 （如 TC4 、TC18 、 TA18 等）常采用溫軋、熱拉拔、熱旋等變形溫度在再結晶溫度以下 100℃ 左右的熱加工工藝。
1.1 鈦合金管材的擠壓
擠壓技術具有高效、優質、低能耗、少 / 無切削工藝特點，因此在鈦合金管、棒、型、線材及零件生產方面得到廣泛應用。一些常見鈦合金管材擠壓工藝見表 1 [2-7] 。 擠壓比是擠壓工藝中的重要參數。 在一定范圍內，擠壓比越大原始晶粒破碎地越完全，得到的擠壓管材晶粒越細小，力學性能也越好。 鈦合金的擠壓比相對較小（通常小于 30 ）。 坯料的選擇會影響擠壓成品的表面質量，劉守田 [8] 等就不同坯料對純鈦擠壓材質量進行了研究， 發現鑄態坯料的金屬流動性差，擠壓后表面質量較鍛造坯料差。
潤滑劑在擠壓中主要起防粘模、降低擠壓力的作用。鈦合金管材常用潤滑劑見表 2 [9] 。有限元模擬技術也被廣泛應用于擠壓工藝。 如 DDamodaran [10] 等通過有限元軟件建立了鈦合金玻璃潤滑熱擠壓模型，可以有效地預測各工藝參數對鈦合金擠壓變形過程中的影響。 相較于鋁、鎂合金，鈦合金擠壓技術發展較慢，主要是由于鈦合金變形抗力大，要求擠壓機噸位大，熱導率差，金屬流動不均勻，屬高活性金屬，在空氣中極易被污染等。
1.2 鈦合金管材的軋制
鈦合金管材的軋制主要分為兩輥（ LG 型）軋制和多輥（ LD 型）軋制，兩輥軋制多用于開坯，多輥軋制則用于定徑和精整。 目前國內廣泛應用的軋管機型 號 有 LG-30 、 LG-90 、 LG-180 、 LD-90 、 LD-180 等 ，管材加工尺寸從 3mm 到最大 250mm [11] 。在鈦管軋制過程中，變形量的大小受合金性能、管材尺寸限制， 部分合金冷軋所允許的變形量如表3 所示。 相對減壁量與相對減徑量的比值（ Q 值）嚴重影響管材的織構取向。在一定范圍內， Q 值越大即管材在軋制中減壁量越大， 晶粒會沿著變形量較大的方向擇優排列，形成管材的徑向織構，進而提高管材的力學性能。 贠鵬飛 [12] 等在研究軋制 Q 值對 TA2管材組織和性能的影響時發現： 制備 準6mm×1mm的 TA2 管時，最佳 Q 值為 1.65 左右。 JinYX [13] 等研究了冷軋工藝對 TC4 管材微觀組織和織構的影響，發現軋制過程中管材（ 0002 ）和（ 1010 ）方向的極圖在軋向聚集， 且大的軋制變形量增加織構強度且促進織構的重組。 在合理設計軋輥孔型及確定變形參數方面，尹業宏 [14] 等人利用 Deform-3D 軟件對鈦管材的軋制過程進行了有限元分析， 為現場試驗提供了可靠依據。
1.3 鈦合金無縫管其他制造方法
除了擠壓、 軋制外， 科研人員還探索了拉拔、旋壓、擴徑等制造工藝。 晏小兵 [15] 等就 TA15 鈦合金管材拉拔時模具參數對尺寸精度、 變形量對管材性能以及潤滑工藝對表面質量的影響進行了研究，并制定出合理的拉拔工藝。 牟少正 [16] 等人對鑄造鈦合金管坯的旋壓成形進行了研究， 發現該鑄造鈦合金在一定旋壓條件下鑄態晶粒被壓扁拉長，形成明顯的纖維組織，減薄率超過 72% 時，鑄態組織基本消除。
對于一些特殊規格鈦管材， 如大直徑或薄壁管材，通常先將管坯經環軋后管壁減薄，管徑擴大，再通過旋壓工藝，增加管材長度，進一步減薄管壁，最終獲得大直徑薄壁鈦管 [17] 。除此之外， LiuG [18] 等人還研究了高壓充氣成形時流動應力、 壓力加載途徑和溫度對 Ti-3Al-2.5V 管材性能的影響。
2、影響鈦合金無縫管材質量的主要因素
鈦合金種類繁多， 管材加工工藝和方法各不相同， 影響管材質量的因素也很多。 表 4 列舉了主要影響因素及其控制措施 [19] 。 從鈦合金的熔煉制備開始，雜質元素（如 O 、 C 、 N ）的含量對成品鈦合金管材的組織和性能有一定影響 [20] ，一般高的間隙元素含量會使管材強度提高，塑性降低。制備方法的選擇也極大地影響管材的性能。 如，擠壓管坯的晶粒細小、綜合性能好，斜軋穿孔管坯的晶粒粗大、不均勻且常常有高溫變形組織，前者更易于后續管材的加工。制備方法還能影響管材的殘余應力狀態 [21] ，當管材有殘余壓應力時能提高疲勞極限和應力腐蝕抗力。
管材加工過程中， 道次變形量顯著影響管材的性能。 大的變形量不僅可以提高生產效率而且可以更好地破碎粗大的鑄態組織，使管材晶粒細小均勻，但是過大會使管材成形抗力增加， 產生的變形熱導致局部溫度升高，使變形不均勻、晶粒出現異常長大。
合理的變形量可以在管材的徑向、軸向、環向形成織構，從而提高性能。 楊英麗 [22] 等發現在純鈦管軋制過程中，當 Q 值在 1.2～2.3 時，形成較強的徑向織構，使管材性能提高。 同時，合理的退火工藝、矯直工藝、高效的去油方法等都是保證鈦管材質量的關鍵。
3、鈦合金無縫管材的應用現狀
3.1 鈦合金無縫管材的廣泛應用
鈦合金管材應用于海上油田平臺的運輸， 主要是為了減輕平臺重量、降低成本、增加使用壽命 [23] 。
寶鈦研制生產的直徑為 準90～準120mm 的油氣開采用 TC4S 合金高性能擠壓管完全滿足 API5CT 中P110 鋼的性能指標，已成功交付并使用 [24] 。 鈦合金還具有突出的耐海水特性和耐氯化物腐蝕特性，使其在地熱工業應用時不僅增加了設備可靠性， 而且降低了運營成本。進一步還有望在防止蓄水層枯竭、利用干熱巖產生蒸汽等方面得到應用 [25] 。
鈦合金作為先進的輕量化結構材料，具有優異的力學性能、高的比強度，被廣泛用于航空航天領域，特別是在管路系統，如：引氣管路、液壓管路、燃油管路。 其中 TA18 鈦合金由于有良好的室溫、高溫力學性能（ 700℃ 時抗拉強度 ≥620MPa ），優異的冷、熱加工塑性和焊接性，使其一直是航空航天用管的最佳選擇 [26] 。另外，鈦合金良好的生物相容性，使它在生物醫療和骨科植入等領域得到廣泛應用， 典型的 Paragon 支架就是利用鎳鈦超彈合金毛細管通過激光雕刻后制成的球囊擴張型馬氏體支架 [27] 。一些商業化鈦合金管材的性能和用途如表 5 所示 [28-32] 。
3.2 制約鈦合金無縫管材廣泛應用的因素
目前， 國際上鈦管材的制造工藝已基本成熟，但是鈦管的應用一直受到成本方面的制約，尤其對于薄壁管、超高強度管、超長管等特殊要求管材，鈦無縫管的生產難度較大、設備復雜、周期長、成品率低。因此，鈦焊管應運而生。 在發達國家，濱海電站和核電站中的凝汽器已用鈦焊管逐步替代鈦無縫管 [33] 。 我國每年鈦焊管產量已經超過 12000t [34] 。 可以預見，由于成本方面的優勢，未來鈦焊管將部分替代鈦無縫管。
鈦管材在服 役環 境 中 并 不 是 零 腐 蝕 。 H MShalaby 等人研究發現， 純鈦冷凝器管在服役 15 年后內外表面均有嚴重腐蝕穿孔和邊緣破裂 [35] 。 另外 ,在鈦管的裝配應用過程中， 往往還需對管材進行彎曲、焊接、端頭加工等處理。 由于鈦管的屈彈比高，在彎曲時回彈顯著，過度回彈導致難以控制管子幾何和精度 [36] 。 Li 等 [37] 人利用有限元模擬對 Ti-3Al-2.5V 管在冷彎曲工藝中的回彈現象進行了分析和預測，但工藝十分復雜，成形較難控制。鈦管由于化學活性強、熔點高、導熱性差等物理化學特性，在焊接時容易產生氣孔、裂紋等缺陷，對焊接設備和保護裝置要求高 [38] 。這些都是制約鈦合金無縫管材廣泛應用的因素。
4、結語
鈦合金無縫管材有比強度高、耐腐蝕性強、耐熱性好、低溫性能好、彈性模量和導熱系數低、化學活性高、 生物相容性好等特點， 使其受到各領域的青睞。 但是由于生產鈦無縫管的設備復雜、周期長、成品率低、造價高等缺點，讓它的應用受到限制。另外，我國低端鈦管材產能過剩，但在重要化工裝置、航空航天液壓管路、火箭發動機燃油管、生物醫療等領域用高性能鈦管材的研究和生產方面還不足。
目前鈦無縫管材的研制不斷向高性能化、 低成本化、 功能化發展。 一方面大量應用有限元軟件對成形過程進行模擬以實現對現有設備和工藝的優化， 提高質量和成材率將成為趨勢。 另一方面要不斷探索創新鈦管材制備方法，簡化工藝，降低成本，積極推廣鈦無縫管材的應用。 這些都需要相關科研人員的共同努力。
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