自 1950 年美國鈦金屬公司生產(chǎn)的第一個鈦合金產(chǎn)品問世以來，已研制出的鈦合金有數(shù)百種，其中應(yīng)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(chǎn)量大約在 5×10 4 t ，其中管材的產(chǎn)量約占 20% [1] 。鈦管相對傳統(tǒng)鋼管、不銹鋼管、銅合金管等有很多優(yōu)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(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)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(lǐng)域的使用要求；生物相容性好，能穩(wěn)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(shè)備要求高，在我國鈦管的應(yīng)用受到限制， 主要還是以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼管為主。但國外，鈦合金管材已在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在航空、航天中。 本文主要總結(jié)了鈦合金無縫管的研制技術(shù)、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為其在各領(lǐng)域廣泛和成熟的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1、鈦合金無縫管材研制現(xiàn)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(guī)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(jié)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(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、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(chǎn)方面得到廣泛應(yīng)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(shù)。 在一定范圍內(nèi)，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(xué)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(zhì)量，劉守田 [8] 等就不同坯料對純鈦擠壓材質(zhì)量進行了研究， 發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)坯料的金屬流動性差，擠壓后表面質(zhì)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(shù)也被廣泛應(yīng)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(yù)測各工藝參數(shù)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(shù)發(fā)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(dǎo)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(nèi)廣泛應(yīng)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(yán)重影響管材的織構(gòu)取向。在一定范圍內(nèi)， 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(yōu)排列，形成管材的徑向織構(gòu)，進而提高管材的力學(xué)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(fā)現(xiàn)： 制備 準(zhǔn)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(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)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(gòu)強度且促進織構(gòu)的重組。 在合理設(shè)計軋輥孔型及確定變形參數(shù)方面，尹業(yè)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(xiàn)場試驗提供了可靠依據(jù)。

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(shù)對尺寸精度、 變形量對管材性能以及潤滑工藝對表面質(zhì)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(fā)現(xiàn)該鑄造鈦合金在一定旋壓條件下鑄態(tài)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(tài)組織基本消除。

對于一些特殊規(guī)格鈦管材， 如大直徑或薄壁管材，通常先將管坯經(jīng)環(huán)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(yīng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xù)管材的加工。制備方法還能影響管材的殘余應(yīng)力狀態(tài) [21] ，當(dāng)管材有殘余壓應(yīng)力時能提高疲勞極限和應(yīng)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(chǎn)效率而且可以更好地破碎粗大的鑄態(tài)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(chǎn)生的變形熱導(dǎo)致局部溫度升高，使變形不均勻、晶粒出現(xiàn)異常長大。

合理的變形量可以在管材的徑向、軸向、環(huán)向形成織構(gòu)，從而提高性能。 楊英麗 [22] 等發(fā)現(xiàn)在純鈦管軋制過程中，當(dāng) Q 值在 1.2～2.3 時，形成較強的徑向織構(gòu)，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(zhì)量的關(guān)鍵。

3、鈦合金無縫管材的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 鈦合金無縫管材的廣泛應(yīng)用

鈦合金管材應(yīng)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(chǎn)的直徑為 準(zhǔn)90～準(zhǔn)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(biāo)，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?zé)峁I(yè)應(yīng)用時不僅增加了設(shè)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(chǎn)生蒸汽等方面得到應(yīng)用 [25] 。

鈦合金作為先進的輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高的比強度，被廣泛用于航空航天領(lǐng)域，特別是在管路系統(tǒng)，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(xué)性能（ 700℃ 時抗拉強度 ≥620MPa ），優(yōu)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(yī)療和骨科植入等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(yè)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)難度較大、設(shè)備復(fù)雜、周期長、成品率低。因此，鈦焊管應(yīng)運而生。 在發(fā)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(chǎn)量已經(jīng)超過 12000t [34] 。 可以預(yù)見，由于成本方面的優(yōu)勢，未來鈦焊管將部分替代鈦無縫管。

鈦管材在服 役環(huán) 境 中 并 不 是 零 腐 蝕 。 H MShalaby 等人研究發(fā)現(xiàn)， 純鈦冷凝器管在服役 15 年后內(nèi)外表面均有嚴(yán)重腐蝕穿孔和邊緣破裂 [35] 。 另外 ,在鈦管的裝配應(yīng)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(dǎo)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(xiàn)象進行了分析和預(yù)測，但工藝十分復(fù)雜，成形較難控制。鈦管由于化學(xué)活性強、熔點高、導(dǎo)熱性差等物理化學(xué)特性，在焊接時容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，對焊接設(shè)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(yīng)用的因素。

4、結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)活性高、 生物相容性好等特點， 使其受到各領(lǐng)域的青睞。 但是由于生產(chǎn)鈦無縫管的設(shè)備復(fù)雜、周期長、成品率低、造價高等缺點，讓它的應(yīng)用受到限制。另外，我國低端鈦管材產(chǎn)能過剩，但在重要化工裝置、航空航天液壓管路、火箭發(fā)動機燃油管、生物醫(yī)療等領(lǐng)域用高性能鈦管材的研究和生產(chǎn)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(fā)展。 一方面大量應(yīng)用有限元軟件對成形過程進行模擬以實現(xiàn)對現(xiàn)有設(shè)備和工藝的優(yōu)化， 提高質(zhì)量和成材率將成為趨勢。 另一方面要不斷探索創(chuàng)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(yīng)用。 這些都需要相關(guān)科研人員的共同努力。

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