1、引言

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、生物醫(yī)療、海洋工程等領(lǐng)域1-3。目前，我國鈦及鈦合金年產(chǎn)量已突破10萬噸，其中近20%鈦產(chǎn)品為管材[4]。鈦合金無縫管相對鋼管、銅管、鋁管等有很多優(yōu)點(diǎn)，比如，種類多,可滿足各個(gè)領(lǐng)域的使用;比強(qiáng)度高,在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí),還可以減重;耐腐蝕性能好,尤其是耐生物腐蝕和耐海水腐蝕5。因此，鈦合金無縫管在飛機(jī)管路系統(tǒng)、船舶用熱交換器管和天線管、石油化工用傳輸管道等特種行業(yè)得到重要應(yīng)用。近年來，鈦合金無縫管在我國的需求量也越來越大，在鈦及鈦合金市場中占據(jù)重要的地位。

制備鈦合金無縫管需先通過擠壓或斜軋穿孔制備管坯，然后將管坯進(jìn)行軋制、旋壓、特種鍛造等以進(jìn)一步加工為成品管材，進(jìn)一步的加工可根據(jù)應(yīng)用需求改變管材的規(guī)格，并提高尺寸精度和性能。不同的管材制備方法有不同的工藝特點(diǎn)，不同牌號的鈦合金塑性成形指標(biāo)也相差較大，因此制備不同類型鈦合金的管材具有不同的工藝路線和工藝參數(shù)。由于鈦合金無縫管的制備對設(shè)備要求高，工藝復(fù)雜且成本高，這使得我國鈦合金無縫管的應(yīng)用受到一定的限制，如何低成本、短流程制備出性能優(yōu)異、滿足使用要求的鈦合金無縫管也已然成為相關(guān)研究人員關(guān)注的重點(diǎn)問題。本文重點(diǎn)對不同鈦合金無縫管的制備方法和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹和歸納，以期為制備鈦合金管材時(shí)選擇合適的方法提供一定的參考。

2、鈦合金無縫管制備技術(shù)

2.1擠壓

擠壓是利用擠壓桿將擠壓筒內(nèi)的坯料從模腔中擠出，從而得到所需規(guī)格管坯的方法。根據(jù)擠壓筒內(nèi)坯料的潤滑狀態(tài)、擠壓方向、擠壓溫度等的不同，擠壓的分類方法也不同[6]。按錠坯溫度的不同可分為冷擠壓、溫?cái)D壓、熱擠壓。其中，熱擠壓是鈦合金無縫管坯最傳統(tǒng)、最成熟和最重要的制備方法，熱擠壓過程如圖1所示[7]，擠壓比、擠壓速度、擠壓溫度和潤滑方式都是熱擠壓過程中非常重要的工藝參數(shù)。

工業(yè)純鈦因成本低、塑性好、冷加工變形量可達(dá)80%、易于生產(chǎn)，是我國目前應(yīng)用最多的一類鈦管，占鈦管材的60%[8,9]。各國純鈦管的生產(chǎn)主要采用二次熔煉鑄錠-鍛造-擠壓(斜軋穿孔)-冷軋工藝，但是這種傳統(tǒng)工藝工序復(fù)雜、成品率低。寶雞有色金屬加工廠提出了對純鈦鑄錠直接熱擠壓生產(chǎn)鈦管坯，將Φ220mm鑄錠在擠壓比為15.8~26.4、冷軋變形量為31%~70%、退火溫度為600~650℃(1h/AC)下制備出了組織均勻、各項(xiàng)性能可達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)要求的外徑為26~41mm和壁厚為1~3mm的純鈦管材，同鍛造-擠壓工藝相比，該工藝成品率提高了18%，成本下降了18.2%。這大大提高了純鈦無縫管的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。值得注意的是，采用熱擠壓法制備鈦管坯時(shí)，由于在擠壓過程中鈦錠容易粘結(jié)擠壓工具，導(dǎo)致加工出來的鈦管坯容易出現(xiàn)如圖2所示的系列質(zhì)量問題[1]。但是通過選擇合適的潤滑方式或者改善潤滑條件便可以避免這些問題，使管坯獲得良好的表面質(zhì)量。目前，鈦管坯熱擠壓通常采用玻璃潤滑或包套潤滑。其中，玻璃潤滑工藝在我國尚未成熟，采用玻璃潤滑時(shí)選擇合適的玻璃潤滑劑是擠壓管坯表面獲得良好質(zhì)量的關(guān)鍵;包套潤滑雖說比較成熟，得到的管坯表面質(zhì)量也較好，但需消耗大量的包套材料，處理工序也比較多，導(dǎo)致擠壓成本增加[12]。對于純鈦管坯的擠壓潤滑，一般采用紫銅包套加熱+油基石墨潤滑，但是當(dāng)擠壓比從14.2升高至22.9后，在擠壓過程中由于鈦強(qiáng)烈粘結(jié)擠壓模具而使獲得的管坯表面質(zhì)量很差。為此，郭玲等[11]改用0.5mm更薄壁厚的銅板制作外包套，并使用一種新型水基潤滑劑改善潤滑條件，不但獲得了內(nèi)外表面質(zhì)量良好的管坯,而且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

熱擠壓除了適用于純鈦管坯的制備，在其它類型鈦合金管坯的制備中也有報(bào)道。如TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)合金，是前蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代中期研制的一種近α型鈦合金。我國對該合金棒材、板材的加工技術(shù)已較成熟，但該合金管材加工仍有待研究，尚秀麗等 [13]探索了熱擠壓制備TA15鈦管的可行性，選擇擠壓溫度為950℃、擠壓比為10.2，同時(shí)進(jìn)行800~850℃/1~2h/AC退火，使得TA15鈦管獲得較好的組織性能匹配，管材質(zhì)量也能滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此外還有眾多科研工作者通過熱擠壓制備出了Ti6321(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)、TA18(Ti-3Al-2.5V)、TA21(Ti-1Al-1Mn)等近α型鈦合金管坯14-16。TC4(Ti-6Al-4V)合金是典型的α+β型鈦合金，該合金管材的用量并不大，只有在需要高強(qiáng)度時(shí)才會使用。而且由于TC4合金變形抗力大、加工硬化強(qiáng)烈、易開裂,導(dǎo)致TC4合金管材制備難度大[17]。張永強(qiáng)等[18]對TC4合金管材熱擠壓成形工藝進(jìn)行了探索。控制擠壓比在3~10、擠壓速度在50~120m/s，選用玻璃粉潤滑劑，成功制備出了合格的直徑x壁厚為47mmx3mm的TC4管坯，這為TC4鈦管的工業(yè)化生產(chǎn)提供了可行的工藝。目前，熱擠壓也應(yīng)用在TC2(Ti-4Al-1.5Mn)、Gr.38(Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O)、TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)、Ti-6Al-3Mo-2Zr-2Fe等α+β型鈦合金管坯的制備上[19-22]。然而由于我國對高強(qiáng)度鈦合金管材加工工藝的研究起步較晚，目前對熱擠壓制備高強(qiáng)β鈦合金管坯的研究鮮有報(bào)道。孫花梅等[23]對Ti-B25合金管材的熱擠壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在應(yīng)變速率為0.1s和變形溫度為900℃時(shí)成功擠出了表面質(zhì)量良好的Φ62mmx12mm的Ti-B25合金管坯。戚運(yùn)蓮等[24]則在2500t臥式擠壓機(jī)中將Φ105mm的Ti-1300合金鍛棒分別在820℃和920℃下擠出了Φ45 mm36 mm的管坯，并發(fā)現(xiàn)在兩相區(qū)擠壓得到的管坯綜合力學(xué)性能比在單相區(qū)擠壓得到的好，管坯抗拉強(qiáng)度和延伸率分別可達(dá)到1300MPa和15%，具有良好的強(qiáng)塑性匹配。

熱擠壓通常需要在合金相變點(diǎn)之下進(jìn)行，以保證合金的塑性，從而使擠壓順利進(jìn)行，熱擠壓過程中變形量大，可制備壁厚較薄且均勻的管坯，適用于所有類型鈦合金管坯的制備。但是熱擠壓需要在大噸位擠壓機(jī)中進(jìn)行，設(shè)備投資大，擠壓坯料還需要進(jìn)行掏孔、包套、潤滑等處理，材料利用率低，這些因素使得擠壓成本高。

2.2斜軋穿孔

斜軋穿孔是將實(shí)心圓坯在傾斜布置的軋輥帶動下旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，通過頂頭穿制成毛管的加工方法25]，過程如圖3所示[26]。斜軋穿孔可分為兩輥斜軋穿孔和三輥斜軋穿孔，兩輥斜軋穿孔技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但制備的鈦管坯內(nèi)外表面易出現(xiàn)缺陷，尺寸精度差，從而無法制備高質(zhì)量的管坯;而基于兩輥斜軋穿孔發(fā)展起來的三輥斜軋彌補(bǔ)了兩輥斜軋的不足，可制備直徑和壁厚之比大于10的薄壁管坯，并可提高生產(chǎn)效率，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)軋卡的問題[27]。在斜軋穿孔過程中，溫度和變形量是影響管坯表面質(zhì)量的主要因素，制備的管坯質(zhì)量直接影響著后續(xù)的加工工序，進(jìn)而影響最終成品的質(zhì)量。

目前工業(yè)生產(chǎn)鈦管坯雖然主要采用擠壓，但是斜軋穿孔因相對擠壓有一定的成本優(yōu)勢從而也逐漸得到了應(yīng)用。馬小菊等[28]使用兩輥斜軋穿孔機(jī)將Φ73mm純鈦(Gr.2)棒坯在β相區(qū)一火穿成Φ75 mmx8 mm的管坯，但管坯內(nèi)表面粗糙，存在細(xì)小微裂紋，進(jìn)一步在兩輥軋制成品管時(shí)將鏜孔設(shè)計(jì)在中間軋制過程中并且使相對減壁量與相對減徑量的比值(Q值)小于1.877，不但可以有效去除內(nèi)表面微裂紋，還能保證成品管質(zhì)量。

對于α型鈦合金，由于是密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系少，對稱性差，導(dǎo)致較難成形。因此斜軋穿孔時(shí)選擇合適的穿孔溫度非常重要，溫度偏低時(shí)材料變形抗力大，穿制的管坯偏心較大，甚至容易出現(xiàn)軋卡現(xiàn)象而不能穿透管坯;而溫度偏高時(shí)管坯的顯微組織通常是塑性較差的魏氏組織，性能不均勻，導(dǎo)致管坯內(nèi)表面質(zhì)量差[29,30]。蘇航標(biāo)等[31]在高于Ti-75(Ti-3Al-2Mo-2Zr)合金相變點(diǎn)50℃時(shí)采用斜軋穿孔制備了直徑大于130mm的Ti-75合金管坯，該管坯延伸率高達(dá)20%，具有良好的塑性，直接進(jìn)行冷擴(kuò)后，制得的管材表面良好且壁厚尺寸偏差小，可滿足生產(chǎn)需求。目前國內(nèi)制備TA18合金無縫管普遍采用擠壓-軋制工藝，為了簡化管坯制備流程，提高成材率和降低成本，李永林等[32]提出了采用三輥斜軋穿孔制備TA18合金管坯，將Φ85mm TA18合金棒坯一火穿制成了94mmx12mm管坯，管坯經(jīng)過700℃/1h/FC退火后室溫拉伸性能良好，可進(jìn)行后續(xù)軋制。工業(yè)應(yīng)用的鈦合金無縫管通常是將熔煉的鈦合金鑄坯先經(jīng)過多火次鍛造再進(jìn)行管坯的制備，而張浩澤等[33]對500mm的TA31(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)合金鑄坯直接兩輥斜軋穿孔制備了538mmx30mm的大口徑無縫管，與傳統(tǒng)工序相比，其流程短、成本低，制備的管材也滿足使用要求，是生產(chǎn)大規(guī)格鈦管可采取的方法。

目前斜軋穿孔制備α+β型鈦合金管坯的報(bào)道主要集中在TC4合金。TC4合金無縫管的制備通常采用擠壓-機(jī)加工、擠壓-冷軋-退火等工藝，但肖雅靜等[34]使用兩輥斜軋穿孔機(jī)將100mm的TC4棒坯一火穿制出了Φ102mmx 11mm的TC4管坯，管坯表面質(zhì)量好且尺寸公差小，其組織雖然是塑性較差的魏氏組織，但是由于變形量大，片狀a較細(xì)且沒有明顯的晶界a，β晶粒也較小，因此管坯仍然具有較好的綜合性能。余偉等[35]也采用熱穿軋工藝將Φ180mm的TC4圓坯制備成Φ160mmx8mm的大口無縫管坯，管坯外徑壁厚比高達(dá)20，相比于傳統(tǒng)工藝所制備的鈦管長度多在10m以內(nèi)，該方法制備的單根鈦管長度可達(dá)12m，具有明顯的優(yōu)勢。熱穿軋工藝制備的TC4管材組織雖由魏氏組織和少量網(wǎng)籃組織組成，但延伸率仍可達(dá)16%以上。雖然斜軋穿孔具有材料利用率高、流程短和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，然而，斜軋穿孔制備TC4管坯經(jīng)常出現(xiàn)后卡現(xiàn)象，且魏氏組織塑韌性差，不利于管坯后續(xù)的加工，為此，研究人員通過大量的有限元模擬得到了可避免后卡現(xiàn)象發(fā)生并能獲得具有理想雙態(tài)組織的TC4管坯的斜軋穿孔工藝參數(shù)[36-38]。目前在斜軋穿孔制備β鈦合金管坯的研究中，趙恒章等[39]針對Ti-26-(Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn-1Nb-1Zr)合金進(jìn)行了斜軋穿孔制備管坯試驗(yàn)。在此之前，西北有色金屬研究院對Ti-26進(jìn)行了管材擠壓試驗(yàn)，但由于潤滑效果不好等原因使得擠壓過程中經(jīng)常出現(xiàn)擠壓針斷裂、悶車等問題，導(dǎo)致難以正常擠壓。進(jìn)一步采用斜軋穿孔法，將106mm的Ti-26棒坯在1050℃下一火穿制成了質(zhì)量良好的Φ108mmx 10mm管坯，并且該管坯不用熱處理便可直接進(jìn)行軋制。西北有色金屬研究院對該管坯直接開坯軋制成功軋出了管材，這為斜軋穿孔制備高強(qiáng)鈦合金管坯提供了一定的參考。

相比熱擠壓，斜軋穿孔不需要包套、潤滑等，設(shè)備投入少，材料利用率高，具有高效、短流程、低成本的優(yōu)勢。但是斜軋穿孔穿軋溫度高，對坯料要求嚴(yán)格，坯料需具備良好的塑性。另外，斜軋穿孔不能制備壁厚較薄的鈦合金管坯，制備的管坯壁厚通常大于10mm，壁厚均勻度相對于熱擠壓制備的稍差，長度也受到限制。

2.3軋制

軋制是將管坯經(jīng)輥軋管機(jī)輥壓軋制成一定規(guī)格的管材，軋制過程如圖4所示[40]。軋制按錠坯溫度的不同可分為冷軋、溫軋、熱軋;按軋機(jī)所具有的軋輥、軋槽的結(jié)構(gòu)形式不同可分為兩輥軋制和多輥軋制，兩輥軋制多用于開坯，多輥軋制則用于定徑和精整，通常情況下兩者會結(jié)合使用[41]。變形量、Q值、軋制道次、送進(jìn)量等是軋制過程中的主要工藝參數(shù)。

軋制是制備精密、薄壁鈦管的主要方法。工業(yè)純鈦TA2因塑性好可通過不同的加工工藝制備成各種規(guī)格的管材。邢健等[42]將包套擠壓得到的45mmx5.5mm TA2管坯分別通過軋制和軋制-拉拔2種工藝加工成Φ12mmx1.25mm成品管材，對比發(fā)現(xiàn)采用軋制-拉拔工藝制備的TA2管材的工藝性能、力學(xué)性能(表1)和內(nèi)表面質(zhì)量(圖5)均優(yōu)于通過軋制工藝制備的TA2管材。因此，不同加工工藝得到的管材性能、質(zhì)量會有所差異，在實(shí)際生產(chǎn)中需進(jìn)行綜合考慮選擇合適的加工工藝。 

表1 2種不同加工工藝制備的TA2管材的力學(xué)性能[42]

Table 1 Mechanical properties of TA2 pipes produced by two different processes[42]

Notes:Rm represents tensile strength, Rp0.2 represents yield strength, A represents elongation

軋制在制備近α型鈦管中也運(yùn)用得比較多。其中，TA18合金由于具有良好的比強(qiáng)度、冷加工成形性能以及室溫和高溫強(qiáng)度，得到了廣泛的應(yīng)用[43,44]，是近α型軋制鈦管中運(yùn)用最多的一種。目前有大量文獻(xiàn)對TA18鈦管的冷軋工藝進(jìn)行了研究報(bào)道[45-48]。此外，冷軋同樣也適用于TA16(Ti-2Al-2.5Zr)、TA22(Ti-3Al-1Mo-1Zr-0.6N)、TA36(Ti-1Al-1.2Fe)、Gr.9(Ti-3Al-2.5V)、Gr12(Ti-0.7Ni-0.2Mo)、CT20(Ti-Al-Zr-Mo系)等近α型鈦管的制備[49-55]。TC2、TC4等α+β型合金由于冷變形能力不佳，管材冷軋加工困難，目前主要采用熱加工方式生產(chǎn)。羊玉蘭等[56]對TC2鈦管兩輥溫軋開坯、多輥冷軋出成品的軋制工藝進(jìn)行了研究，控制溫軋和冷軋道次變形量在40%和30%、溫軋溫度在550~650℃、退火溫度在850~900℃時(shí)，可軋制出各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的TC2鈦管。李凱玥[41]也對斜軋穿孔制備的壁厚為5.5mm的TC4管坯進(jìn)行了冷軋工藝的探索，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Q值在0.02~1.31時(shí)可以通過軋制得到表面質(zhì)量良好的管材。李寶霞等[57]采用斜軋穿孔+熱軋制備出了表面質(zhì)量好、尺寸精度高的Φ560mmx25mm大規(guī)格TC4無縫管材，該工藝和擠壓+機(jī)加相比，可節(jié)約80%坯料，生產(chǎn)效率也得到了提高。

跟α+β型鈦合金一樣，目前關(guān)于采用軋制制備β型鈦合金管材的報(bào)道也比較少。高瑩等[58]采用斜軋穿孔+冷軋工藝成功將截面為55mmx55mm的TB2合金棒材制備成了43mmx8mm薄壁管。薛海龍[59]根據(jù)有限元模擬優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際軋制，成功制備了壁厚均勻、表面光滑的Ti-5563合金成品管材。車永平[60]采用冷軋的方法對8.0mmx1.0mm的Ti-25Nb-3Zr-3Mo-2Sn(TLM)合金管坯進(jìn)行多道次中間軋制，結(jié)合中間退火，控制變形量在較低的范圍內(nèi)，成功制備出了規(guī)格為4.0mm0.3mm的TLM合金細(xì)徑薄壁管材。

對于鈦合金無縫管坯的軋制加工技術(shù)，目前低合金化、低強(qiáng)度的鈦合金均采用冷軋，而中、高強(qiáng)鈦合金雖有采用溫軋和熱軋的報(bào)道，但主要也還是采用冷軋。軋制既可減徑又可減壁，相比擠壓或鍛造等方法制備的鈦管，軋制制備的鈦管表面質(zhì)量及尺寸精度更高，該方法適用于各種規(guī)格的小直徑薄壁管的加工，且制得的成品管材長度受限較小，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)[61]

2.4旋壓

旋壓是旋輪從端頭開始旋轉(zhuǎn)擠壓被頂桿固定于旋壓機(jī)模具上的管坯，使其逐點(diǎn)連續(xù)發(fā)生塑性變形成為所需空心零件的先進(jìn)加工方法[62]，旋壓過程如圖6所示[63]。旋壓工藝按坯料變形程度不同可分為普通旋壓和強(qiáng)力旋壓;按旋輪進(jìn)給方向與坯料流動方向的不同關(guān)系可分為正旋和反旋;按旋壓時(shí)成形溫度不同可以分為冷旋和熱旋[64,65]。旋壓的主要工藝參數(shù)包括旋壓速度、旋壓溫度、進(jìn)給速度、減薄率、旋輪角等。

旋壓一般用來制造長度較小但直徑與壁厚比值相當(dāng)大的超薄鈦合金無縫管(筒形件)[66]。目前對于采用旋壓制備純鈦管材，Zhang等[67]提出了旋壓-超聲表面滾壓復(fù)合成形制造高性能純鈦薄壁管的方法(圖7)，這一方法使材料表面形成梯度納米結(jié)構(gòu)，降低了管材表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)了良好的強(qiáng)度-塑性協(xié)同效應(yīng)。TA15合金是近α型鈦合金中采用旋壓法制備管材最多的一種，有大量文獻(xiàn)對TA15合金薄壁管材熱旋成形技術(shù)進(jìn)行了研究[68-70]，發(fā)現(xiàn)TA15合金薄壁筒形件熱旋成形的關(guān)鍵是保證金屬旋壓時(shí)變形流動的均勻性，這又直接受熱旋加熱方式、旋壓工藝參數(shù)和成形模具等因素的影響，并且大型薄壁筒形件的熱旋與小筒形件的熱旋在工藝上還存在較大的差別，成形難度要大得多。此外，郭靖71]對TA15合金薄壁筒形構(gòu)件軋制-旋壓連續(xù)成形進(jìn)行了研究，軋制-旋壓連續(xù)成形(圖8)[72]是融合了環(huán)軋和旋壓技術(shù)優(yōu)勢的一種薄壁筒形件的先進(jìn)成形技術(shù)。通過研究獲得了TA15合金薄壁筒形構(gòu)件軋制-旋壓成形的最優(yōu)工藝參數(shù):旋壓溫度為850℃、4旋壓道次、旋輪進(jìn)給比為1.5mm/r、旋輪圓角半徑為25mm。此工藝制備的TA15合金管材的成形極限可提高到86.7%，減薄率大大增加的同時(shí)還避免了缺陷的產(chǎn)生。這為提高鈦合金薄壁筒形件軋制-旋壓連續(xù)成形極限奠定了重要基礎(chǔ)。張富平等[73]對TA16合金變徑管的滾珠旋壓成形工藝進(jìn)行了研究，當(dāng)旋壓臨界工作角為20°、旋輪進(jìn)給比為0.08~0.15mm/r時(shí)，成功將Φ8mm1.5mmTA16鈦合金管坯加工成了表面質(zhì)量良好的Φ7.85mm2.85mm變徑管。α+β型鈦合金薄壁管材的旋壓成形研究主要集中于TC4合金。TC4合金熱導(dǎo)率低，對變形溫度十分敏感，使得該合金薄壁管材的熱旋成形難度很大;同時(shí)，TC4合金室溫下加工硬化強(qiáng)烈，易開裂，這也造成其冷旋成形非常困難。汪發(fā)春等[74]對TC4合金薄壁筒形件開展熱旋成形工藝及優(yōu)化研究，在加熱溫度為600~750℃、旋輪進(jìn)給比為0.8~1.2mm/r、道次減薄率在20%~30%時(shí)可穩(wěn)定旋壓成形TC4合金薄壁筒形件。胡宗式[75]則對TC4合金管材的冷旋成形工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)選擇合適的旋輪，控制轉(zhuǎn)速在320r/s進(jìn)給比在0.2~1.2mm/r，并使用大量的機(jī)油進(jìn)行冷卻和潤滑，可成功冷旋制備TC4合金管材。為了提高旋壓鈦合金管材的環(huán)向強(qiáng)度，Yang等[76]提出了一種新的管材旋壓成形方法-交叉旋壓(圖9)，與傳統(tǒng)單向旋壓制備的TC4鈦管相比，交叉旋壓制備的TC4鈦管的軸向強(qiáng)度略微增加的同時(shí)環(huán)向強(qiáng)度顯著提高。這為提高鈦合金管材的環(huán)向強(qiáng)度提供了一種有效的方法。

旋壓制備β型鈦合金管材也有一些報(bào)道，目前已經(jīng)進(jìn)行了TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)合金旋壓成形筒形件的數(shù)值模擬[77];也進(jìn)行了Ti55531(Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr)合金一定變形條件下簡形件熱旋壓成形的可行性實(shí)驗(yàn)研究。為了解決Ti-1300合金筒形件成形難題和提高鑄造管坯的力學(xué)性能，楊延濤等[79]探索了Ti-1300合金筒形件的旋壓成形工藝，發(fā)現(xiàn)在800~900℃旋壓能避免旋壓缺陷的產(chǎn)生，開坯旋壓采用0.5~0.8mm/r的小進(jìn)給比，終道次旋壓采用1.2~2.0mm/r的大進(jìn)給比，開坯旋壓道次減薄率不超過30%，可旋壓成形高質(zhì)量的Ti-1300合金筒形件。Xu等[80]則借助McClintock模型預(yù)測和實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，旋壓制備Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)合金管材時(shí)，減薄率較低(18%)或較高(42.3%)時(shí)都會使管材內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋，但采用中等減薄率(27%~33%)且在旋壓道次間進(jìn)行固溶處理時(shí)，可成功避免Ti-15-3合金管材旋壓過程中裂紋的產(chǎn)生。

旋壓成形技術(shù)已成為加工薄壁空心鈦合金回轉(zhuǎn)體零件的首選方法[78]。基于旋壓制備鈦管過程中采用較小的旋壓力就可獲得很大的變形應(yīng)力，有利于薄壁鈦合金無縫管的制備[61]。也正是這個(gè)特點(diǎn)，相比通過軋制、鍛造工藝制備的鈦管，采用旋壓方法制備的鈦管表面光潔度更高，尺寸公差更小。然而，采用旋壓制備鈦管生產(chǎn)率較低，勞動強(qiáng)度大，不適于大批量生產(chǎn)。

2.5特種鍛造

特種鍛造是管坯在鍛壓機(jī)械的作用下產(chǎn)生塑性變形從而獲得一定形狀和尺寸的管材，是一種少切削、材料利用率高的管材制備方法 [81,82]。其中，徑向鍛造(圖10) [82]和旋轉(zhuǎn)鍛造(圖11)[83]是鈦管制備中用得比較多的2種鍛造方法。目前特種鍛造方法在TC4鈦管制備中報(bào)道得較多。熊慶華等[84]采用DEFORM模擬分析了TC4管材徑向鍛造成形工藝并得到了優(yōu)化的成形工藝參數(shù)。謝仁沛等[81]通過進(jìn)一步的實(shí)際實(shí)驗(yàn)探究了TC4厚壁管的徑向鍛造工藝，發(fā)現(xiàn)徑向鍛造制備的TC4厚壁管成品率高、表面質(zhì)量好，與擠壓制備的厚壁管相比，組織更細(xì)、綜合力學(xué)性能(表2)也更好[81]。值得注意的是，徑向鍛造可使管材壁厚增加和長度延伸，而且也能提高管材強(qiáng)度，但是隨著徑向鍛造加工率的增加，內(nèi)壁起皺量隨之增大，同時(shí)壁厚均勻性變差[85]。此外，Yuan等[86]通過研究發(fā)現(xiàn)，使用冷旋鍛可以制備晶粒細(xì)化和具有較強(qiáng)徑向織構(gòu)的薄壁TC4無縫管材。在冷旋鍛過程中，隨著橫截面變形量的增加，管材的晶粒細(xì)化程度增加，冷旋鍛后的管材具有良好的強(qiáng)度和塑性，抗拉強(qiáng)度和延伸率分別可達(dá)到1251 MPa和12.2%。

表22種不同加工工藝制備的TC4合金厚壁管經(jīng)750℃/1h熱處理后的力學(xué)性能[81]

Table 2 Mechanical properties of TC4 alloy thick-wall pipe pre-pared by two different processes after heat treatment at 750℃ for 1 hour[81]

Note: Z represents reduction of area

特種鍛造在制備鈦管過程中不僅能有效細(xì)化晶粒，還能使殘余應(yīng)力均勻化，顯著提高鈦管的力學(xué)性能[87]。該制備方法既能制備大規(guī)格厚壁鈦管，又能制備小規(guī)格薄壁鈦管，但相比軋制、旋壓制備的管材，特種鍛造制備的管材表面質(zhì)量及尺寸公差較差。

3、鈦合金無縫管的其他制備方法

根據(jù)目前已報(bào)道的制備鈦合金無縫管材的文獻(xiàn)，以上幾種制備鈦合金無縫管材的方法、可加工的鈦合金材料種類以及可加工的管材規(guī)格分別如圖12和表3[10,16,28,57,60,70,73,75,81,88-98]所示。由圖12可以看出，目前在制備鈦合金無縫管坯時(shí)主要還是采用擠壓多一些，而管坯的后續(xù)加工則大部分采用軋制。對于純鈦、α型和a+β型鈦合金無縫管的制備，這幾種方法均適用，而對于β型鈦合金無縫管，目前尚未有采用特種鍛造制備的報(bào)道。此外，由表3可知，擠壓、斜軋穿孔、軋制等方法既可制備小規(guī)格鈦合金無縫管，又能制備大規(guī)格鈦合金無縫管。其中，相對于其他幾種方法而言，旋壓制備的管材長度和壁厚相對較小。這些方法能制備多大規(guī)格的管材主要還是依賴于加工設(shè)備的規(guī)格。在實(shí)際制備鈦合金無縫管時(shí)，需綜合考慮材料特性、管材產(chǎn)品質(zhì)量和性能要求、加工成本等因素選擇合適的制備方法。

表3鈦合金無縫管材制備方法可加工的管材規(guī)格

Table 3 The pipe specifications processed by the different preparation technologies of titanium alloy seamless pipes

除了以上幾種傳統(tǒng)、常用的鈦合金無縫管材的制備方法外，近年來，在國家相關(guān)項(xiàng)目的支持下，相關(guān)科研單位通過參考鋼管的連軋工藝及設(shè)備，提出了“斜軋穿孔+熱連軋+定徑軋”一步法連續(xù)制備中大口徑厚壁鈦合金無縫管這一新的方法。西北有色金屬研究院使用該方法制備出了TC4、TC18(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)等合金的中大口徑厚壁鈦管，管材單根長度可達(dá)25m以上，綜合成本降低40%，管材不同位置的尺寸精度、組織性能完全滿足相應(yīng)的使用標(biāo)準(zhǔn)[4,95]。雖然該技術(shù)已經(jīng)取得突破，但由于目前鈦合金應(yīng)用市場對尺寸固定單一的厚壁鈦管需求不足從而無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。然而，該技術(shù)具備低成本、短流程、高效的優(yōu)勢，未來有很大潛力成為鈦合金厚壁管材制備的主流工藝。

王長江[99]也提出了一種短流程低成本制備高強(qiáng)韌鈦合金無縫管的新方法，采用電子束槍或者等離子槍融化原材料直接生產(chǎn)管坯，避免了傳統(tǒng)的熔煉、鍛造、穿孔等工序，然后進(jìn)行3次徑向鍛造改良管坯的組織，再依次通過雙重退火和機(jī)加工得到合格的成品管。相比于傳統(tǒng)無縫管材制備技術(shù)，該方法加工周期大大縮短，材料利用率高，使得加工成本大大降低，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，有望實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌鈦合金無縫管的批量生產(chǎn)。

4、結(jié)語

鈦合金無縫管因其優(yōu)異的綜合性能而在航空航天、船舶、石油化工等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。擠壓和斜軋穿孔是制備鈦合金管坯最重要的2種方法，而軋制、旋壓、特種鍛造是管坯進(jìn)一步加工成成品管材最常用的幾種方法。斜軋穿孔雖然成本低，但是由于對坯料要求嚴(yán)格，穿軋溫度高，適用的合金類型較擠壓少，所以目前還是采用擠壓制備鈦合金管坯多些。軋制既可減徑又可減壁，成品管材長度受限較小，可生產(chǎn)各種規(guī)格小直徑薄壁鈦合金無縫管;旋壓則一般用來制造長度較小但直徑與壁厚比值相當(dāng)大的超薄鈦合金無縫管;特種鍛造既能制備大規(guī)格厚壁鈦合金無縫管，又能制備小規(guī)格薄壁鈦合金無縫管，但管材表面質(zhì)量及尺寸公差相比軋制、旋壓制備的管材要差。近年來，我國相關(guān)科研單位也在不斷探索可高效、短流程、低成本制備鈦合金無縫管的新方法。

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（注，原文標(biāo)題：鈦合金無縫管制備技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展）

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