Microstructura i propietats de canonades d’aliatge de titani TC4 per a enginyeria marina

Resum:
Per complir els requisits operatius dels cables de transport de petroli i gasos profunds i de comunicació submarina en enginyeria marina, es va dur a terme una producció d’assaig en canonades d’aliatge de titani TC4 extruïdes amb dimensions típiques de φ140 × 4 (gruix de paret) × 4000 mm. L’objectiu era comprendre la relació entre la microestructura, les propietats i les tècniques de processament de les canonades i proporcionar suport tècnic per a la producció de canonades d’aliatge de titani de mida gran utilitzades en aplicacions d’enginyeria de fons.

Presentació

El segle XXI marca una era de desenvolupament sostenible de l’economia marina, i els recursos oceànics són un component crucial del creixement econòmic. Els vasts oceans són rics en recursos naturals com el petroli i el gas, els minerals metàl·lics, l’energia geotèrmica i els organismes marins. L’extracció i el transport de l’energia de petroli, gas i geotèrmia fora del mar, així com la presa de cables de comunicació submarina, han posat més exigències en el desenvolupament d’equips de fons.

Els aliatges de titani són els materials preferits per a equips de fons a causa de la seva baixa densitat, alta resistència específica i una excel·lent resistència a la corrosió a l’aigua de mar.

Amb el ritme accelerat de perforació de petroli i gas, hi ha una demanda creixent de canonades d’aliatge de titani extretes a grans diàmetres. Aquestes canonades s’utilitzen principalment en pous de petroli, pous geotèrmics i canonades de gas natural. Als Estats Units, s’han utilitzat canonades d’aliatge TC4 amb especificacions de φ (48-610) × 26 × 2600 mm per a aplicacions de perforació geotèrmica i fora del mar. RMI, una empresa nord-americana, ha produït Ti -3 Al -2. A Noruega, les canonades d'aliatge TC4ELI (φ600 × 25 × 15000 mm) s'utilitzen per a aixecadors a les plataformes de perforació del mar del Nord. La Companyia VSMPO de Rússia fabrica aliatges que contenen Palladium i Ruthenium, així com Ti -6 Al -4 V canonades d'aliatge per a l'extracció de petroli.

TC4 (Ti -6 al -4 v) Aliatge de titani té excel·lents propietats completes, amb una bona plasticitat de procés i superplàstica, fent -la adequada per a diversos processos de formació de pressió. S'utilitza àmpliament en indústries aeroespacials i d'aviació per a parts que operen per sota de 400 graus i representa més del 50% del total de l'ús d'aliatges de titani. Les canonades d’aliatge de titani de gran diàmetre es produeixen normalment mitjançant l’extrusió calenta, una tecnologia madura en calent que es basa en la disponibilitat de grans premses d’extrusió.

En aquest estudi, es va realitzar una producció d’assaig de canonades d’aliatge de titani TC4 extruïdes amb dimensions φ140 × 4 × 4000 mm per explorar la relació entre la microestructura, les propietats mecàniques i els paràmetres de processament, posant les bases per a la producció industrial de grans canonades d’aliatge de titanium per a aplicacions profundes.

1. Mètode experimental

1.1 Pla experimental

La prova va utilitzar els lingots d'aliatge de titani TC4 produïts per Baoji Titanium Industry Co., Ltd. a través de la remeltació d'arc consumible de buit doble. Els lingots es van forjar diverses vegades a les regions de la fase i + per produir un estoc de barres de 270 mm, que després es va mecanitzar en billetes d'extrusió. Es va aplicar una capa protectora de doble beda a les billetes per a la protecció i la lubricació de la superfície.

L'extrusió es va dur a terme mitjançant una premsa d'extrusió horitzontal 3150- tona a la regió de la fase +. Els tubs extruïts es van endreçar en línia i la capa d'òxid es va eliminar mitjançant el rentat alcali-àcid. A continuació, es van mecanitzar les superfícies interiors i exteriors per obtenir la canonada TC4 acabada amb dimensions φ140 × 4 mm. La composició química dels lingots compleix els estàndards GB\/T 3620.

1.2 Formació d’extrusió

A causa de la mala conductivitat tèrmica dels aliatges de titani, es poden produir gradients de temperatura significatius entre la superfície i el nucli de la factura durant l'extrusió, donant lloc a un flux de metall no uniforme i estrès addicional a la tracció a la superfície. Això pot provocar esquerdes de superfície i fins i tot buits centrals en varetes o tubs en condicions greus.

A més, els efectes tèrmics durant l'extrusió poden provocar un sobreescalfament de la microestructura del material, comprometent la qualitat del producte final. Per tant, és crucial seleccionar paràmetres d’extrusió raonables. A partir de l’experiència de desenvolupament anterior, els billets es van escalfar fins a 950 graus i es va adoptar una proporció d’extrusió de 3-10 i velocitats d’extrusió de 50-120 mm\/s per minimitzar els efectes tèrmics i assegurar una bona qualitat de la superfície i propietats mecàniques. El diagrama de deformació d'extrusió es mostra a la figura 1 i la canonada extruïda final es mostra a la figura 2.

2. Resultats i discussió

2.1 Precisió superficial i dimensional

La qualitat superficial de la canonada extruïda era bona i la rectitud era satisfactòria. Després del mecanitzat, les dimensions van complir les especificacions del disseny.

2.2 Microstructura

L’extrusió es va realitzar a 40-50 graus per sota del punt de transició de fase a la regió +. Controlant la taxa de deformació i la prevenció de l'augment excessiu de la temperatura durant la deformació, es va aconseguir una estructura típica processada en fase +. La microestructura mostrava grans allargats i comprimits orientats al llarg de la direcció de la força.

2.3 Propietats mecàniques

Les propietats mecàniques de temperatura ambient es van provar en exemplars de canonades extretes AS i després de la recuperació de l’aire a 750 graus durant 1 hora. Els resultats van mostrar una bona concordança de tots els paràmetres mecànics, complint els requisits de disseny i aplicació.

3. Conclusió

El procés d’extrusió en calent, quan es combina amb paràmetres de procés adequats, va produir canonades d’aliatge de titani TC4 amb una microestructura excel·lent i propietats mecàniques.

Les canonades compleixen totes les especificacions de disseny i són adequades per utilitzar -les en canonades de transport de petroli i gas.