TA31钛合金（名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-lMo)不仅密度小、比强度高、塑性和耐蚀性好，而且还具有较好的断裂韧性、应力腐蚀断裂韧性、冲击性能及可焊性等，特别是其突出的耐海水、耐海洋大气腐蚀性能。
将其加工成无缝管后，可适用于油井管、通海管路系统、热交换器等部件[[1-4]，在海洋石油钻井平台、海洋工程装备、舰船、潜艇、深潜器及离岸设施等领域具有广阔的应用前景[5-6]。
目前工业应用TA31合金无缝管一般采用以下制备方法:首先将海绵钛与合金原料进行混料及组料后压制、焊接成电极，经 2 ~ 3 次真空自耗电弧炉（VAR)熔炼成圆锭，然后将圆锭进行锻造加工,再进行钻孔挤压或斜轧穿孔，最后通过轧制、拉拔、旋压等工艺制备出不同规格和用途的无缝管材[7-10]。但其工艺流程复杂、成材率低，且得到的无缝管长度有限等问题，使得成本居高不下，极大地限制了TA31合金无缝管的应用。基于此原因，本文提出先采用真空自耗电弧熔炼炉(VAK)将原料进行合金化，再通过电子束冷床炉（EB)进行重熔得到高质量的超长TA31合金圆锭，然后利用该圆锭不经过锻造直接进行斜轧穿孔，得到大口径无缝管的短流程制备思路。该工艺充分发挥EB炉的优点,通过铸还直接斜轧穿孔制备管材，具有短流程、高成材率的特点，从而降低了无缝管的制备成本因此，本文利用真空自耗电弧炉+ 电子束冷床炉熔铸了TA31钛合金圆锭，通过铸坯直接斜轧穿孔制备出φ178 mm × 12 mm大口径无缝管，研究了不同退火温度（800、850、900、950 t )对无缝管组织演变和力学性能的影响及机理。
1、试验材料及方法
合金原料采用海绵钛(0A级）、铝豆(A1≥99.9% )、铌钛中间合金（Ti-53 Nh)、海绵锆（Zr≥99. 4 % ，粒度3 ~ 10 mm)、铝钼中间合金（AI-60Mo),按合金元素配比（考虑到熔炼过程中的挥发问题，将 A1元素含量以7 % 〜8% (质M分数）的比例添加）进行混合、压料、焊接电极，然后在VAR炉内先进行合金化，再 通 过 EB炉进行重熔，经扒皮修整后获得规格为φ210 mm × 2400 mm的TA31合金圆锭。取样检测其化学成分如表 1 所示，可见成分检测结果满足GB/T 3620.1 —2016《钛及钛合金牌号和化学成分》的要求。
经过VAK + EB炉熔铸而成的圆锭打上定心孔后(如图1 (a)所示），不经过锻造加工，直接放人加热炉中加热至1200℃保温3 h ,在靠近设备顶头的一端涂上玻璃粉润滑剂，快速进行斜轧穿孔、连轧、定径，最终直接制备出φ178 mm x 12 mm X 12 000 mm的无缝管(如图1 (b )所示）。
所制备的无缝管经过表面处理后，按 照 GB/T228. 1—2010《金 属 材 料 拉 伸 试 验 第 1 部分:室温试验方法》中所述沿管材纵向切取标准拉伸试样（d0=5 mm,L0=25 mm,lc==70 mm),对试样进行退火处理。根据相变点（960 ~ 980 ℃ )确定如表2 所示的退火工艺,退火采用中环SK-1200 1系列真空/气氛管式电炉，全程在氩气氛保护中进行，升温至预定温度(800、850、900、950 °C )保温1 h 后，从炉中取出，空冷至室温。
金相试样经打磨抛光后采用体积比为( HF：HNO3:H20) = 1:2:50的腐蚀液对试样进行腐蚀,采用Axiovert 200MA型光学显微镜进行组织观察。在AG-X 型万能试验机上进行管材室温拉伸试验，每个退火温度进行3 次拉伸试验，结果取3次试验的平均值，并采用扫描电镜进行断口形貌分析3次试验结果及讨论。
2.1退火温度对TA31合金无缝管显微组织的影响
图2 为轧制态和不同退火温度处理后TA31合金无缝管的光学显微组织。如图2(a)所示，轧制态组织呈变形的魏氏组织，主要由片层状α相集束和原始β相晶界组成，其中包含着大量的片层状初生α相，呈现出明显的不均匀性。这主要是因为无缝管在β相区进行加工,组织在β相区变形，呈现出魏氏组织，而且在变形过程中圆锭内部存在温度变化，沿材料断面变形时，圆锭各处温度存在差异,导致轧制态无缝管组织分布不均匀[15]。
选取800、850、900、950℃四种温度，对无缝管进行退火处理。当退火温度为800℃时（图 2(b)),组织变化不明显，原 始 β相晶界仍然存在，少量的片层状初生α相溶解于β相中，组织总体均匀性没有得到改善。温度升至850尤时（图2(c)),更多的片层状初生 α相溶解至β相中，α相集束纵向长大，不同位向的集束互相截断，ct相集束变多变小，组织均勻性得到改善，然而原始β相晶界仍然存在，影响管材性能。
图2( d)为900℃退火温度下的管材组织，片层状初生α相与原始β相晶界消失，大量的α相集束在轧制方向（RD方向）呈较小角度分布。当退火温度为950℃时，温度接近于β转变温度，α相集束发生粗化，并转变为网篮组织。退火过程中组织以回复为主，并未出现等轴的再结晶组织，其原因可能与组织内部畸变能较低有关[16] ,TA31合金无缝管由圆锭直接制备，没有经过锻压过程，铸锭中大的晶粒没有经过充分的破碎,导致组织内部储存的畸变能较低。
根据上述结果，轧制态无缝管为变形的魏氏组织,主要由片层状α相集束和原始β相晶界组成;退火处理后，片层状初生α相减少，原始β相晶界消失，组织逐渐均匀化，但当退火温度超过900℃后，α相集束粗化并转变为网篮组织。
2.2 退火温度对TA31合金无缝管力学性能的影响
轧制态和不同温度退火后TA31合金无缝管力学性能如图3 所示。由图3 可以看出，随着退火温度的上升,管材抗拉强度（Rm） 和屈服强度（以Rp0.2计）随退火温度的上升呈先降低后缓慢增大的趋势，但总体变化不大;伸长率（A）发生明显变化，随退火温度升高呈先增大后降低的趋势，在950 t 时迅速降低,退火温度对伸长率有着很大影响。从试验结果得知，退火温度在900 t 时，管材的综合力学性能最佳。
从图3 还可以看出，轧制态无缝管的力学性能均匀性较差，一方面是因为轧制态组织不均匀，另一方面管材内部存在较大的残余应力，且残余应力分布不均匀。经退火处理后，无缝管力学性能的均匀性得到提高。退火温度为800时，组织内部发生静态回复，管材内部的残余应力得到消除，显微组织与轧制态的组织相差不大，管材的抗拉强度与屈服强度降低，伸长率略微升高。退火温度上升至850 t 时，组织内部各取向的片层状α相开始长大，相互截断，出现了多而小的α相集束，阻碍了滑移的进行，抗拉强度与屈服强度得到提升，伸长率增加，然而内部原始的P 晶界依然存在，导致管材强度变化不大，即抗拉强度基本不变，屈服强度提高至761 MPa,伸长率提高至11.6% 。
当退火温度为900℃ 时，组织中原始β相晶界消失，大量α相集束与RD方向呈较小角度，相关文献表明[17]拉伸过程中力的加载方向与α相集束的夹角较小时，材料的强度和伸长率会得到提高，本试验沿纵向切取拉伸试样，室温拉伸试验时RD方向即加载方向，此时管材的强度与伸长率均有提高，抗拉强度提高至873 MPa,屈服强度提高至785 MPa,伸长率提高至12.8% 。当退火温度为950尤时，α相集束粗化，呈现网篮组织，该组织具有高的强度与低的伸长率，此时管材的强度继续提高，而伸长率大幅度下降。
根据上述结果，本文所制备的TA31合金无缝管经过900℃ 左右退火后，无缝管的组织均匀、综合力学性能最佳。周大地等1S通过TA31合金斜轧穿孔过程的有限元模拟优化出轧制工艺，并利用试验乳机成功制备了TA31合金无缝管，得到的无缝管性能满足Rm≥850 MPa，Rp0.2>760，A≥10% 。对比可知，利用VAR + EB熔铸的TA31 合金圆锭，通过铸坯直接斜轧穿孔制备的无缝管，经 900℃×1h,AC的退火处理后，力学性能能够达到传统制备工艺的水平,说明利用铸坯直接制备TA31合金无缝管的工艺是可行的。
2.3 不同退火温度下TA31合金无缝管的断裂机理
管材经拉伸试验后，断口上留下的断裂信息可以进一步地分析管材力学性能与组织之间的关系。图4为不同退火温度下TA31合金无缝管的断口形貌。图4(a)中显示，轧制态的断口形貌中出现了明显的解理台阶、撕裂棱以及少量的撕裂型韧窝，但整体分布不均匀，这主要是因为不均匀分布的残余应力所导致，断口呈现靭性+ 准解理混合型断裂。对管材进行800℃退火时，如图4( b)所示，残余应力得到消除，形貌分布较均匀，但内部仍具有明显的解理台阶与撕裂棱，为韧性+准解理混合型断裂。经过850℃退火后，如图4(c)所示，仍有解理台阶与撕裂棱，但形貌变小且减少，断裂类型开始由韧性+ 准解理混合型断裂向韧性断裂转变。图4(d)为退火温度900 ℃时的断口形貌，此时断口布满等轴状韧窝,断裂类型为韧性断裂。当退火温度达到950 ℃时，如图4(e)所示，断口形貌分布均匀并呈现出明显的解理台阶和少量的軔窝，为韧性+ 准解理混合型断裂。由此可知,随着退火温度的提高，短流程TA31合金无缝管的拉伸断口形貌随着退火温度的上升，由韧性+ 准解理混合型断裂转为韧性断裂再转为靭性+ 准解理混合型断裂，相应的，管材的伸长率先升高后降低。
3、结论
1 )铸坯直接斜轧穿孔制备的TA31钛合金大口径无缝管轧制态组织为变形的魏氏组织，主要由片层状α相集束和原始β相晶界组成;退火处理后片层状初生α相减少，原始β相晶界消失，组织逐渐均勻化，但当退火温度超过900℃后，α相集束粗化并转变为网篮组织。
2 )随退火温度的升高，TA31合金无缝管抗拉强度与屈服强度先略微降低后缓慢增大，而伸长率呈先增大后减小的趋势，断口形貌由韧性+ 准解理混合型断裂逐渐变为韧性断裂再转变为韧性+ 准解理混合型断裂。
3 )短流程制备的TA31钛合金大口径无缝管适宜退火温度为900℃左右，此时无缝管组织均匀、综合力学性能最佳，抗拉强度、屈服强度和伸长率的平均值分别为 873 MPa、785 MPa 和 12.8%。
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