[发明专利]一种高冲击韧性钛合金及利用钛合金制备无缝管材的方法

说明书

本发明公开了一种高冲击韧性钛合金，其化学成分要求为Al 4.0‑9.0%、Mo 0.5‑5.0%、Zr 1‑5%、Nb 1‑5%、Fe 0.2‑2.0%、余量为Ti及杂质。利用此高冲击韧性钛合金制备无缝管材的方法为：按化学成分要求称取铝铌中间合金、钼块、纯海绵锆、铁钉、海绵钛并进行混料，压制成电极棒，再放入真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭于1150℃开坯锻造，970~1020℃改锻，得到棒坯；再将棒坯加热至950~1200℃；将棒坯斜轧穿孔制得管坯；利用斜轧穿孔后的余热进行管坯热轧，再进行定减径得到管材；将管材进行热处理、矫直、锯切、检验、入库。本发明中利用此钛合金制备的无缝管材强度高、塑性高、低温冲击韧性高、耐腐蚀性能好，满足油、气井恶劣工况的应用要求。

技术领域

本发明涉及铝合金材料及无缝管材的制造领域，具体的说是一种高冲击韧性钛合金及利用钛合金制备无缝管材的方法。

背景技术

钛及钛合金密度小，比强度高，耐腐蚀性能优异，中高温力学性能好，具有优良的抗疲劳和蠕变性能，在石油化工行业有巨大的应用潜力。而钛合金管材由于具有良好的耐腐蚀性，特别是耐海水腐蚀和生物腐蚀而广泛应用于石油化工行业。SY/T6896.3-2016《石油天然气工业特种管材技术规范第3部分：钛合金油管》对钛合金油管的制造工艺要求如下：钛合金油管应采用无缝钛合金管制造。石油化工用钛合金无缝管材的低成本制备技术一直是世界各国的研究热点。

油井管在井下受、拉、扭等多种作用，内部承受几十兆帕的内压，受力情况复杂。一般P110钢制油管的冲击功达到200J左右，而P110钢级钛合金冲击功经常为30-50J，在此情况下，油田用户认为钛合金拥有较好的耐腐蚀性能，但冲击韧性也要进一步提高，以提高管柱的安全可靠性。国内研究单位对常用的钛合金如TC4等进行了改进，但冲击韧性并未得到改善。目前，国内的钛合金油管开发方式，基本上以采用现有钛合金进行性能考核为主，很少进行新材料开发。故而钛合金油管在国内的应用推进缓慢，且由于钛合金的室温变形抗力大、加工具有一定长度和壁厚而且具有优良力学性能钛合金无缝管材具有一定难度。

因此，有必要寻找一种具有高冲击韧性的钛合金，并探索利用此钛合金制备无缝管材的方法，以满足石油化工行业的使用要求。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种高冲击韧性钛合金及利用钛合金制备无缝管材的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种高冲击韧性钛合金，其化学成分要求为Al4.0-9.0％、Mo0.5-5.0％、Zr 1-5％、Nb 1-5％、Fe 0.2-2.0％、余量为Ti及不可避免的杂质；其中杂质含量满足N≤0.05％、C≤0.1％、H≤0.015％、O≤0.15％。

一种利用高冲击韧性钛合金制备无缝管材的方法，主要包括以下步骤：

步骤一、铸锭制备：按化学成分要求称取铝铌中间合金、钼块、纯海绵锆、铁钉、海绵钛并进行混料，压制成电极棒，再放入真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，得到钛合金铸锭；

步骤二、棒坯制备：将步骤一得到的钛合金铸锭于1150℃开坯锻造，970～1020℃改锻，得到棒坯；

步骤三、斜轧穿孔：将步骤二得到的棒坯置于加热炉中加热至950～1200℃，然后进行保温，保温时间为棒坯直径×(0.5～1.1)min/mm；采用钼基合金或高合金顶头，头部涂润滑剂，加热后的棒坯中心孔内放置润滑剂，穿孔后即制得管坯；

步骤四、热轧与定减径：将步骤三得到的管坯进行热轧，热轧前在管坯内部喷洒硼砂，变形量控制在50～70％，然后进行定减径得到管材；

步骤五、热处理：将步骤四得到的管材置于热处理炉中进行热处理，热处理温度为800～980℃；

步骤六、后处理：将热处理后的管材矫直、锯切、检验、入库。