一种大口径钛合金无缝管材及其制备方法与流程

1.本发明涉及管材技术领域，具体为一种大口径钛合金无缝管材及其制备方法。


背景技术：

2.钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域，世界上许多国家都已经认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。
3.从全球角度来看，航空业对钛市场的发展起着决定性的作用，从历史上看，钛行业大的市场轮回都和航空业的冷暖密切相关，在航空器上，对用材的强度、密度、耐热性能等方面都有极高的要求，钛合金一方面可以满足航天器减轻结构重量、提高结构效率的作用，另一方面可以符合如机尾、发动机鼓筒等部件中的耐热性和热强性的要求，同时钛合金还能与航天器上的其他复合材料之间拥有良好的相容性，能避免两者之间产生电偶腐蚀，从而提高航天器整体的结构稳定性，为了制造出性能更好、相性更优的各种钛合金用以推动航空领域和其他民用领域的发展，无数生产厂家都积极投身于钛合金配方的改良与寻优的工作中，并通过对钛合金的加工工艺不断进行持续优化而提高钛合金的综合工艺性能，现有的钛合金金属加工工艺在钛坯锻造温度的控制和金属成分的配比等方面均还有提升的空间。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：提供一种大口径钛合金无缝管材及其制备方法，以解决以上缺陷。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种大口径钛合金无缝管材，其特征在于，其组成成分包括管材基底成分、主要成分和微量成分，所述管材基底成分为ti，所述主要成分按所有组成成分的总质量百分比可包括以下几种：al：4.0％-5.0％；sn：3.0％-4.0％；zr：2.5％-3.5％；mo：0.2％-1.2％；si：0.2％-0.5％；所述微量成分的组成成分可包括以下几种：fe，mn，b，cr。
7.优选的，所述组成成分中包括可选成分，所述可选成分按所有组成成分的总质量百分比可包括以下几种：ta：0.3％-0.5％；nb：0.3％-0.5％；所述基底成分在主要成分、微量成分、可选成分的具体配比确认完成并添加完毕后按余量补足。
8.优选的，所述微量成分为：b、cr、fe混合物；b、cr、mn混合物；b、cr混合物；b、cr、fe、mn混合物中的一种。
9.优选的，所述一种大口径钛合金无缝管材的制备方法，其特征在于，具体包括如下流程：
10.st1、工业制钛：从采矿到选矿再到对矿石进行富集处理，一步一步地让钛矿变为富钛物料，之后在富钛物料中添加石油焦和cl2，实现富钛物料的氯化过程，再通过精制处
理后采用镁还原法制得mg mgcl2的混合物，多次重复进行镁还原操作后可降低混合物中的mg含量，再通过真空蒸馏制得最终产物海绵钛；
11.st2、压电极与熔炼：将制取得的海绵钛进行压制形成致密的块状电极，使用var法对块状电极进行至少三次的真空自耗熔炼过程，用以降低杂质，从而得到较为纯净的不规则钛坯；
12.st3、锻造：将经真空自耗熔炼处理后所得的不规则钛坯进行锻造，用以改变其外形和提高其工艺性能，完成锻造后可得到钛棒坯；
13.st4、酸洗：高温下的钛与气体介质之间拥有较高的亲和力，因此锻造完成后的钛棒坯往往会在其表面形成一层硬α层，该α层会极大地降低钛棒坯的金属性能和工艺塑性，从而对成品质量造成影响，因此需要进行酸洗，酸洗一方面可以除去钛棒坯表面的α层、油脂等其他杂质成分，另一方面也能对钛棒坯进行一定程度上的塑型处理；
14.st5、挤压：通过对钛棒坯进行挤压操作，让钛棒坯的外观尺寸向最终成品的设计尺寸靠近，减少加工余量，所述的挤压流程进行时，设置挤压温度为870℃-920℃，挤压比为10-25，挤压速度为90毫秒/秒－120毫秒/秒，挤压润滑剂选用玻璃润滑剂，所述的玻璃润滑剂的软化点在670℃-720℃；
15.st6、穿孔轧制与矫正：在挤压流程后，钛棒坯的各尺寸均接近于成品尺寸，此时可以进行最后的穿孔轧制工序，在对钛棒坯进行穿孔工艺后，使用多列辊轧制机进行两次重复轧制后经矫正机矫正最终输出预成品，之后再对预成品进行预检验工序，所述预检验工序包括定径测量、直线度测量和表面缺陷探查，符合要求的预成品可以再依次进行退火、酸洗、水洗、涂油存储工序，经过退火、酸洗、水洗、涂油存储工序后预成品变为成品，对不合格的预成品将再次进行轧制与矫正步骤，直至符合预检验的质量要求；
16.st7、终检：对涂油存储的所述成品进行终检，所述终检包括化学成分检验、力学性能检验、水气压检验、表面质量和外形尺寸检验。
17.优选的，所述st3锻造流程具体依次包括铸锭开坯、预成型、锤上模锻、压力机上模锻四个工艺步骤，所述铸锭开坯的温度为1100℃-1150℃，所述预成型的温度为970℃-1020℃，所述锤上模锻的温度为920℃-970℃，所述压力机上模锻的温度为900℃-950℃。
18.优选的，所述st4酸洗流程具体依次包括喷砂去除氧化皮、有机溶剂清洗、冷水中冲洗、酸洗、去油脂、擦干、冷水中冲洗、流动冷水中冲洗、喷淋、干燥，所述去油脂步骤中包括使用工业乙醇对钛棒材进行清洗和使用体积比为1:1的丙酮和丁醇的混合液对钛棒坯进行再冲洗，在所述去油脂后的擦干步骤中，应是使用无尘布擦干，而不能是挥发干。
19.优选的，所述的st7终检流程中，可在同批次生产成品中任取总数的百分之一且最大值不超过十根、最小值不小于两根的成品，将所选的成品从管身长度的三分之一处、三分之二处截断，再对分成三段的成品进行化学成分检验、表面质量和外形尺寸检验工序。
20.优选的，所述冷水中冲洗步骤和水洗步骤的进行采用一种水冲洗池，所述水冲洗池包括振动源、升降台、水槽，所述振动源设置在水槽内，所述升降台设置在水槽内的振动源的上方，所述振动源包括电磁条、振动片，所述振动片水槽内沿水平方向平行设置有若干个，所述电磁条相对设置有两根，相对设置的两根所述的电磁条分别水平横放在振动片的正上方和正下方，所述电磁条与振动片在每一个竖直方向上的交叠处均设置有振动点，所述振动点包括电磁铁和永磁体，所述永磁体设置在振动片上，且所述的永磁体贯穿振动片，
每一个所述的振动点均包括两块电磁铁，两块所述的电磁铁分别设置在振动片上方的电磁条的下端面和振动片下方的电磁条的上端面上，升降台的四角设置有突出到升降台本体之外的升降耳，所述水槽的四角在升降耳伸出的位置处均对应设置有一个举升缸，所述举升缸的机座端铰接在水槽的外壁上，所述举升缸的活塞端铰接在升降耳的下端，当设置在水槽四角的所述举升缸开始协同工作时，能控制所述的升降台从水槽中升起或者落入水槽中，所述升降台上设置有夹持点，所述钛棒坯或预成品通过夹持点固定在升降台上，所述夹持点包括整体底板、单块压板，所述整体底板为平行设置在升降台两端的长条状板体，平行设置的两根所述的整体底板上均匀对应设置有若干个梯形槽口，所述单块压板在整体底板上每一个梯形槽口的上方均设置有一个，所述单块压板上也设有梯形槽口，所述单块压板通过分别设置在梯形槽口两边的两根丝杆固定在整体底板上，所述丝杆包括杆头端和螺母端，所述丝杆的螺母端依次穿过整体底板和单块压板后旋上螺母，所述丝杆的杆头端与整体底板之间套有弹簧，所述单块压板的上端面上设置有提手，所述水槽的外壁上设有加强框架，所述水槽侧壁的上方设有进水管，所述进水管连通水槽的内部，所述进水口旁设有出水管，所述出水管包括溢流管和放空管，所述溢流管连通至水槽侧壁的上方，所述放空管连通至水槽的槽底，所述溢流管与放空管在水槽外交汇成一根管道，且在所述放空管上设置有控制管道开合的阀门，所述水槽底部的四角均设有支脚。
21.优选的，两根相对设置的所述电磁条为一组，所述电磁条在振动源内按需求设置有一组或两组。
22.优选的，所述支脚设置在加强框架上，所述加强框架在安装支脚的位置处开有竖直的空腔，所述支脚包括底座和垂直设置在底座上方的中心杆，所述中心杆的上方杆体上设有螺纹并在中心杆上套有锁紧扣，所述中心杆的上端设置在加强框架的空腔内，所述锁紧扣抵在空腔外的加强框架的架体上。
23.本发明的有益效果在于：
24.本发明一种大口径钛合金无缝管材及其制备方法，通过对金属成分进行重新配比和对加工工艺的进一步优化，有效提高了钛合金的热塑性和热强性，在配方中增加了可选成分，可以让供方按照需方的实际使用场合进行有效的成本优化，节省资源投入，独特设计的以电磁驱动振动片振动的水冲洗池，能在对钛棒坯和预成品进行冷水中冲洗步骤或水洗步骤时，提高冲洗效果，降低冲洗噪音，整体上具有配方配比合理、制备方法高效易实施、水冲洗池冲洗效果优等特点，有着极高的实用性和推广意义。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1：本发明的制备方法流程图；
27.图2：本发明的水冲洗池结构示意图；
28.图3：本发明的夹持点结构示意图；
29.图4：本发明的振动源结构示意图；
30.图5：本发明的振动点结构示意图；
31.图6：本发明的支脚结构示意图；
32.附图标记说明：
33.1、振动源；11、电磁条；111、电磁铁；12、振动片；121、永磁体；2、升降台；21、升降耳；221、整体底板；222、单块压板；223、提手；224、丝杆；225、弹簧；226、梯形槽口；3、水槽；31、加强框架；4、举升缸；5、支脚；6、出水管；61、溢流管；62、放空管；7、进水管。
具体实施方式
34.结合附图1-6，对本发明的具体实施方式作如下说明：
35.如图1-6所示，一种大口径钛合金无缝管材及其制备方法，其组成成分包括管材基底成分、主要成分、可选成分和微量成分，管材基底成分为ti，主要成分按所有组成成分的总质量百分比可包括以下几种：al：4.0％-5.0％；sn：3.0％-4.0％；zr：2.5％-3.5％；mo：0.2％-1.2％；si：0.2％-0.5％；可选成分按所有组成成分的总质量百分比可包括以下几种：ta：0.3％-0.5％；nb：0.3％-0.5％；微量成分的组成成分可包括以下几种：fe；mn；b；cr；基底成分、主要成分和微量成分在生产过程中必须添加，al作为α稳定元素，添加到合金内可以有效提高合金的热强性，因此在多数的拥有在高温环境下工作期望的合金中都有所添加，在本发明中也作为一种主要成分添加在内，但是过量的al会与钛基质反应生成脆性的ti3al相，又会对金属的性能产生极大影响，因此需要严格控制al的添加量，在具体实施时不可超过最大限量5％，一般将钛合金划分为α型、α β型、β型钛合金，根据合金元素和杂质对钛的β转变温度的作用性质进行分类，可分为α稳定元素、β稳定元素和中性元素，sn和zr对钛合金锻造过程中β转变温度的影响不大，属于中性元素，它们对钛合金的室温强度的提升效果较小，但是可以极大地提高合金的热强性，并且zr还有与ti还有相似的理化性质，因此这两者作为一种强效成分添加到合金中，mo作为一种β稳定元素，与zr类似，其原子间晶格结构与ti十分相似，原子半径也相近，因此作为zr的补充成分，用来协同zr起效，si元素会降低钛合金的β转变温度，扩大β相区，还会引起共析转变，并且在这个反应过程中，si拥有极大的反应活性，一旦开始反应，对合金进行淬火处理都不能完全抑制反应的进行，因此在制造过程中可以保证该元素可以顺畅地融合合金中形成相，故选用此元素为主要成分之一，微量成分在实际生产中以混合物的形式添加，微量成分可为：b、cr、fe混合物；b、cr、mn混合物；b、cr混合物；b、cr、fe、mn混合物中的一种，b被誉为金属材料的维生素，少量添加可以极大地提高金属的塑性和强度，而在钛合金中添加可以细化晶粒，改善钛合金的性能，同理，cr在钛合金中也能起到类似的作用，因此作为一种必选的微量成分，但两者不可添加过多，体积比均应控制在0.1％以下，以微量元素的形式添加到合金中，fe和mn都能在一定程度上增加合金的塑性和强度，但两者的热稳定性均不是很强，会为锻造过程带来一定影响，在有技术基础和使用需求的场合可以酌情添加，常规场合可以不添加。
36.可选成分在综合考虑生产供应需求和应用场合后进行酌情增加，在两个可选成分中，ta可以提高合金的室温和高温强度，增加淬透性，用来平衡合金在各种温度下的金属性能，并提高含铬和铁的合金的热稳定性，为后续的微量元素营造适宜的环境，若成品的工作温度为室温占多数或微量元素成分较复杂时，可以添加适量的ta，nb对室温强度的提升比较小，同时其密度也较大，添加到合金中可能会增加合金的重量，因此在多数情况下使用较
少，但是它可以提高钛合金的抗氧化性和抗腐蚀性，因此当成品用来导通溶液或成品工作时易与其他电解质接触时，应选加适量的nb。
37.一种大口径钛合金无缝管材的制备方法具体包括如下流程：
38.st1、工业制钛：从采矿到选矿再到对矿石进行富集处理，一步一步地让钛矿变为富钛物料，之后在富钛物料中添加石油焦和cl2，实现富钛物料的氯化过程，再通过精制处理后采用镁还原法制得mg mgcl2的混合物，多次重复进行镁还原操作后可降低混合物中的mg含量，再通过真空蒸馏制得最终产物海绵钛；
39.st2、压电极与熔炼：将制取得的海绵钛进行压制形成致密的块状电极，使用var法对块状电极进行至少三次的真空自耗熔炼过程，用以降低杂质，从而得到较为纯净的不规则钛坯；
40.st3、锻造：将经真空自耗熔炼处理后所得的不规则钛坯进行锻造，用以改变其外形和提高其工艺性能，完成锻造后可得到钛棒坯，锻造流程具体依次包括铸锭开坯、预成型、锤上模锻、压力机上模锻四个工艺步骤，且不同的步骤下对锻造环境温度均有不同要求，铸锭开坯的温度为1100℃-1150℃，预成型的温度为970℃-1020℃，锤上模锻的温度为920℃-970℃，压力机上模锻的温度为900℃-950℃；
41.st4、酸洗：高温下的钛与气体介质之间拥有较高的亲和力，因此锻造完成后的钛棒坯往往会在其表面形成一层硬α层，该α层会极大地降低钛棒坯的金属性能和工艺塑性，从而对成品质量造成影响，因此需要进行酸洗，酸洗一方面可以除去钛棒坯表面的α层、油脂等其他杂质成分，另一方面也能对钛棒坯进行一定程度上的塑型处理，同时酸洗流程具体依次包括喷砂去除氧化皮、有机溶剂清洗、冷水中冲洗、酸洗、去油脂、擦干、冷水中冲洗、流动冷水中冲洗、喷淋、干燥，去油脂步骤中包括使用工业乙醇对钛棒材进行清洗和使用体积比为1:1的丙酮和丁醇的混合液对钛棒坯进行再冲洗，工业乙醇可以起到高效的去油脂功能，还丙酮和丁醇的混合液可以去手印指纹，用以提高钛棒坯的表面纯净度，在去油脂后的擦干步骤中，应是使用无尘布擦干，而不能是挥发干，防止各种有机成分去除不干净；
42.st5、挤压：通过对钛棒坯进行挤压操作，让钛棒坯的外观尺寸向最终成品的设计尺寸靠近，减少加工余量，挤压流程进行时，设置挤压温度为870℃-920℃，挤压比为10-25，挤压速度为90毫秒/秒－120毫秒/秒，挤压润滑剂选用玻璃润滑剂，玻璃润滑剂的软化点在670℃-720℃；
43.st6、穿孔轧制与矫正：在挤压流程后，钛棒坯的各尺寸均接近于成品尺寸，此时可以进行最后的穿孔轧制工序，在对钛棒坯进行穿孔工艺后，使用多列辊轧制机进行两次重复轧制后经矫正机矫正最终输出预成品，之后再对预成品进行预检验工序，所述预检验工序包括定径测量、直线度测量和表面缺陷探查，符合要求的预成品可以再依次进行退火、酸洗、水洗、涂油存储工序，经过退火、酸洗、水洗、涂油存储工序后预成品变为成品，对不合格的预成品将再次进行轧制与矫正步骤，直至符合预检验的质量要求；
44.st7、终检：对涂油存储的所述成品进行终检，所述终检包括化学成分检验、力学性能检验、水气压检验、表面质量和外形尺寸检验，在化学成分检验、表面质量和外形尺寸检验工序过程中，可在同批次生产成品中任取总数的百分之一且最大值不超过十根、最小值不小于两根的成品，将所选的成品从管身长度的三分之一处、三分之二处截断，再对分成三段的成品进行化学成分检验、表面质量和外形尺寸检验工序，其他检验方法按行业标准执
行即可，完成终检流程的成品就可进入最终的登记入库售卖等后续环节。
45.st4酸洗流程和st6穿孔轧制与矫正流程中的冷水中冲洗步骤和水洗步骤的进行采用一种水冲洗池，水冲洗池包括振动源1、升降台2、水槽3，振动源1设置在水槽3内，升降台2设置在水槽3内的振动源1的上方，振动源1包括电磁条11、振动片12，振动片12在水槽3内沿水平方向平行设置有若干个，电磁条11相对设置有两根，相对设置的两根电磁条11分别水平横放在振动片12的正上方和正下方，两根相对设置的电磁条11为一组，电磁条11在振动源1内按需求设置有一组或两组，当水槽3的槽宽过宽时，可以使用两组电磁条11，当槽宽不是很宽时，可以仅在水槽3的中间设置一组电磁条11，电磁条11与振动片12在每一个竖直方向上的交叠处均设置有振动点，振动点包括电磁铁111和永磁体121，永磁体121设置在振动片12上，且永磁体121贯穿振动片121，每一个振动点均包括两块电磁铁111，两块电磁铁111分别设置在振动片12上方的电磁条11的下端面和振动片12下方的电磁条11的上端面上，振动片12的长度略长于水槽3的槽宽，当同一振动点上的两块电磁铁111开始持续通电并进行高速极性转换时，就能产生方向不停发生逆变的磁场，从而令设置在中间的永磁体121进行高速的重复上下运动，从而带动振动片12振动，起到搅拌水流提高水洗效果的目的，用电磁驱动振动片12振动，极大地消除振动噪声，营造高质量的生产工作环境。
46.升降台2的四角设置有突出到升降台2本体之外的升降耳21，水槽3的四角在升降耳21伸出的位置处均对应设置有一个举升缸4，举升缸4的机座端铰接在水槽3的外壁上，举升缸4的活塞端铰接在升降耳21的下端，当设置在水槽3四角的举升缸4开始协同工作时，能控制升降台2从水槽3中升起或者落入水槽3中，当需要对钛棒坯或预成品进行水洗时，可以令升降台2落入水中，当停止水洗后，可以在控制升降台2升起，在具体实施时，可以使用专用龙门吊配合行车取代设置水槽3四周的举升缸4，就可让升降台2脱离摆脱水槽3的限制，将更有利于工业生产，升降台2上设置有夹持点，钛棒坯或预成品通过夹持点固定在升降台2上，夹持点包括整体底板221、单块压板222，整体底板221为平行设置在升降台2两端的长条状板体，平行设置的两根整体底板221上均匀对应设置有若干个梯形槽口226，单块压板222在整体底板221上每一个梯形槽口226的上方均设置有一个，单块压板222上也设有梯形槽口226，单块压板222通过分别设置在梯形槽口226两边的两根丝杆224固定在整体底板221上，丝杆224包括杆头端和螺母端，丝杆224的螺母端依次穿过整体底板221和单块压板22后旋上螺母，丝杆224的杆头端与整体底板221之间套有弹簧225，单块压板222的上端面上设置有提手223，拉动提手223就可将单块压板222从整体底板221上提起，此时可以将钛棒坯或预成品夹入到梯形槽口226中实现对钛棒坯和预成品的固定过程。
47.水槽3的外壁上设有加强框架31，水槽3侧壁的上方设有进水管7，进水管7连通水槽3的内部，进水口7旁设有出水管6，出水管6包括溢流管61和放空管62，溢流管61连通至水槽3侧壁的上方，放空管62连通至水槽3的槽底，当水槽3内的水量过高的时候，会自发地从溢流管61中流出并被收集，溢流管61与放空管62在水槽3外交汇成一根管道，且在放空管62上设置有控制管道开合的阀门，当需要对整个水槽3进行放空操作时，只需要打开设置在放空管62上的阀门即可，水槽3底部的四角均设有支脚5，支脚5设置在加强框架31上，加强框架31在安装支脚5的位置处开有竖直的空腔，支脚5包括底座51和垂直设置在底座51上方的中心杆52，中心杆52的上方杆体上设有螺纹并在中心杆52上套有锁紧扣53，中心杆52的上端设置在加强框架31的空腔内，锁紧扣53抵在空腔外的加强框架31的架体上，当需要调节
支脚5的高度时，只需要使用工具转动锁紧扣53即可。
48.本发明一种大口径钛合金无缝管材及其制备方法，通过对金属成分进行重新配比和对加工工艺的进一步优化，有效提高了钛合金的热塑性和热强性，在配方中增加了可选成分，可以让供方按照需方的实际使用场合进行有效的成本优化，节省资源投入，独特设计的以电磁驱动振动片振动的水冲洗池，能在对钛棒坯和预成品进行冷水中冲洗步骤或水洗步骤时，提高冲洗效果，降低冲洗噪音，整体上具有配方配比合理、制备方法高效易实施、水冲洗池冲洗效果优等特点，有着极高的实用性和推广意义。
49.上述结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。