本发明属于材料加工技术领域，具体涉及大口径钛合金无缝薄壁管材的加工方法。
背景技术：
钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、无磁性等优点，在航空、航天、化工、兵器、舰船、汽车、建筑、医疗等领域有着广阔的应用前景，被誉为21世纪的金属材料，有着“太空金属”“海洋金属”和“第三金属”的美誉。因此ta16、ta18、ta10、tc4等钛合金被加工成各种规格的管材，应用于航空、化工、舰船等领域。
由于钛合金具有高强度、变形抗力大、难变形、加工成形难度极大等特点，管材研制和加工技术难度较大。在国外，俄罗斯、美国等国家的钛合金管材研制和配套应用技术非常成熟，钛合金大口径管材在航空、舰船等领域已有一定的应用。
近年来，随着我国舰船、化工、海洋工程等领域用钛需求的日益增加，大口径钛合金管材的需求量也越来越多。钛合金大口径无缝管材的加工一方面取决于完善的生产设备，如3150吨挤压机、斜轧穿孔机等，生产口径大于120mm的钛合金无缝管材，需要大吨位的挤压机，设备投资巨大；另一方面取决于加工方法，传统加工方法是挤压管坯+冷轧或斜轧穿孔管坯+冷轧，生产管材时需配备挤压筒、挤压杆、挤压垫等挤压工具和冲头、针座、导路等备件，加工工艺复杂、流程长、生产效率低、制造成本高、成材率低，且管材直径较小。
现有加工钛合金大口径薄壁管材的方法有两类，一类是用板材，通过卷板机或用油压机模压成型，然后焊接成圆管，经过矫圆、矫直，制作有缝焊管；另一类是使用大直径的空心厚壁无缝管材镗孔加工(或使用超大型轧管机加工)。
例如专利cn1038944441公开了采用锻管方式生产钛合金管材，但其外径只有φ90～φ150mm，且壁厚较厚，达到10～30mm；专利cn101972794和cn105568195公开了采用的是“锻造-锻棒钻孔-冷轧”的工艺路线，在锻棒上加工通孔将棒材中心部位的钛材车削成屑料，并没有完整将其取出，材料利用率低，并且后续仍采用传统冷轧的方法，加工周期长；专利cn104831120、cn101190444和cn104174807公开了采用传统挤压+轧制的方法生产钛合金大口径管材；专利cn106425317公开的则是制备大口径壁厚大于100mm的ti-b19钛合金管材；专利cn106493187公开了制备直径最大可达520mm的钛合金管材，但其采用的是锻造棒坯+斜轧穿孔+拉拔扩孔+机加的方法；专利cn105665468公开了采用旋压+轧制的方法，制备得到钛管材外径只有50～120mm、壁厚为0.5～1.5mm；专利cn101704035公开了快锻制坯+旋压的加工方法，得到钛管材外径只有50～100mm、壁厚为1～5mm；
目前，我国钛加工企业能够生产的钛合金管材外径大多在114mm以下，对于直径在120mm以上的大口径管材，加工得到的基本为厚壁管材，对于大口径薄壁管材而言，尚未形成可靠的生产工艺体系。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有加工工艺难以加工得到大口径无缝薄壁管材的不足，提供一种加工过程简单、效率高，可以得到外径为φ130～φ219mm、壁厚6～8.5mm的大口径钛合金无缝管材的加工方法。
为了实现本发明的目的，本发明人通过大量试验研究并不懈努力，最终获得如下技术方案：具体包括如下步骤：
步骤(1)棒坯锻造：将直径φ622mm～φ820mm钛合金铸锭进行多次镦拔变形，充分破碎粗大的铸态组织，确保棒坯的锻透性和组织均匀性，得到φ220mm～φ292mm棒坯；
步骤(2)机械加工：通过机械加工方式从棒坯中心处取出φ90～φ170mm的实心棒料，得到钛合金空心毛管，空心毛管内径与取出的实心棒料直径相差40～60mm；
步骤(3)精锻：将钛合金空心毛管加热保温后进行径向锻造，得到钛合金管坯；
步骤(4)退火处理；
步骤(5)机加工：退火处理后的钛合金管坯进行车削加工，得到外径φ133～φ219mm、壁厚6～8.5mm、长度大于3000mm的钛合金管材。
进一步优选地，本发明所述钛合金大口径无缝薄壁管材的加工方法，所述钛合金牌号为ta10、ta22、ta16、ta24或tc4。
进一步优选地，本发明所述钛合金大口径无缝薄壁管材的加工方法，所述钛合金铸锭是通过真空自耗电弧法熔炼得到。
进一步优选地，本发明所述钛合金大口径无缝薄壁管材的加工方法，其中步骤(1)中，钛合金铸锭先在单相区进行镦拔变形，再在(α+β)两相区进行拔长变形，其中单相区加热温度为钛合金相变点(tβ)以上60～150℃，(α+β)两相区加热温度为相变点以下5～80℃。
进一步优选地，本发明所述钛合金大口径无缝薄壁管材的加工方法，其中步骤(3)中，加热温度为820～910℃，保温时间30～150min，终锻温度不低于700℃。
进一步优选地，本发明所述钛合金大口径无缝薄壁管材的加工方法，其中步骤(3)中，锻造时管坯的径向尺寸公差控制在±1mm，精锻后管坯平直度＜3mm/1000mm。
进一步优选地，本发明所述钛合金大口径无缝薄壁管材的加工方法，其中步骤(4)中，退火温度620～740℃，保温1～3h后空冷。
进一步优选地，本发明所述钛合金大口径无缝薄壁管材的加工方法，步骤(5)中，得到的钛合金管坯内外表面粗糙度不大于3.2μm。
进一步优选地，本发明所述钛合金大口径无缝薄壁管的材加工方法，所述钛合金铸锭经过步骤(1)棒坯锻造和步骤(3)精锻处理，总锻比≥4。
所述钛合金铸锭经刨铣后涂覆抗氧化防护涂层后再进行步骤(1)棒坯锻造，该过程为本领域常规技术手段。
本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：
(1)本发明采用锻造+机械加工+精锻+退火+机加处理的过程，可以将钛合金铸锭加工成直径大于120mm，壁厚6～8.5mm的管材，且得到的钛合金管材室温力学性能良好，符合技术要求；
(2)本发明方法中铸锭经大变形量、多火次反复镦拔后制得棒坯，棒坯经机械加工制成空心毛管，再经精锻、热处理、车削得到成品管材，不需要矫直处理，也无需酸洗和喷砂处理管材内、外表面，减少了加工工序，与传统的挤压轧制加工方法相比，工艺简单、流程短，且管材表面质量好、尺寸精度高、壁厚均匀；
(3)本发明方法突破了大口径管材生产需大吨位挤压机、穿孔机等设备的制约，生产方式灵活、效率高，且无需挤压筒、挤压杆、挤压垫等挤压工具和冲头、针座等备件；
(4)本发明方法步骤3取出的直径φ90～φ170mm的棒料，可以用于后续棒材锻造或轧制加工，而常规机械加工只能将棒坯中心的钛材车削成碎屑，无法直接再利用，因此能够有效利用原材料，材料利用率高；
(5)本发明方法中采用常规锻造+机械加工+精锻相结合的方式，可避免传统挤压管坯+冷轧或斜轧穿孔管坯+冷轧方法生产钛合金管材时由于反复碾压造成管材表面凹坑、折皱、微裂纹等缺陷，突破目前传统方法尚不能生产钛合金大口径无缝管材的制约，实现短流程加工，提高生产效率，降低制造成本。
(6)采用本发明方法制备得到的多种规格的ta10和ta22钛合金管材可用于舰船、石油、化工、海洋工程等领域，填补了国内钛合金大口径无缝薄壁管材的加工空白。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明实施例中ta10(名义成分ti-0.3mo-0.8ni)钛合金具有良好的抗缝隙腐蚀性能，工艺塑性和焊接性能良好，可用于制作换热器、真空制盐装置等；ta22(名义成分ti-3al-1mo-1zr-1ni)钛合金是一种新型中强耐蚀钛合金，抗缝隙腐蚀能力优异，可用于制造动力系统、通海管路系统、热交换器、耐压壳体、泵阀系统等零部件。都为现有公开的钛合金牌号。
采用本发明方法可生产多种规格的ta10和ta22钛合金大口径管材，不仅能够满足我国舰船、化工、海洋工程等领域的用钛需求，还可摆脱关键产品长期依赖进口、受制于人的被动局面，同时可促进钛合金大口径无缝管材在石油、氯碱、核电等领域的推广应用，满足军工和民用领域的迫切需求，填补国内钛合金大口径无缝薄壁管材的加工空白。
本发明实施例中直径φ720mm钛合金铸锭是通过以下方法制备得到：熔炼时选用粒度较小的海绵钛(ta10铸锭选用0～2级，粒度2～25.4mm；ta22铸锭选用0级，粒度2～12.7mm)，并添加中间合金，中间合金的熔点与钛接近，能有效地提高铸锭成分的均匀性，防止产生偏析、夹杂等冶金缺陷，同时在合金熔炼过程中，不断调整熔炼电流，使合金元素分布均匀且杂质含量控制在预期水平，获得冶金质量优良的钛合金铸锭。
该过程为本领域常规技术手段。
实施例1
制备ta10钛合金φ133×6mm(直径×壁厚)管材：
步骤1，利用真空自耗电弧炉熔炼2次制备出ta10钛合金φ720mm铸锭，采用淬火金相法测得该铸锭相变点为885～895℃；
步骤2，对铸锭进行刨铣处理后，表面涂覆抗氧化防护涂层，在天然气炉(控温精度±15℃)中加热并保温后出炉，之后在10000吨快锻机上锻造成φ220×1200mm的棒坯，具体为在单相区锻造2～3火次，(α+β)两相区锻造2～3火次，其中单相区加热温度为950～1000℃，两相区加热温度820～880℃；
步骤3，采用刀具从φ220mm棒坯的棒坯中心处取出φ90mm的实心棒料，得到ф220/ф140×1200mm的空心毛管；
步骤4，将空心毛管置于电阻炉(控温精度±10℃)中加热至820～880℃，保温0.5～1.5h后在精锻机上进行径向锻造2～3火次，精锻成ф144/ф110×l≥3500mm的管坯，锻造时管坯的径向尺寸公差控制在±1mm，精锻后管坯平直度＜3mm/1000mm；
步骤5，将管坯在真空退火炉中加热至620～680℃进行退火处理，保温1～3h后空冷，消除加工应力；
步骤6，将管坯在深孔钻床上进行车削加工，加工成(φ133±0.4)×6×lmm的成品管材；
其中钛合金铸锭经过步骤2和步骤4处理，总锻比≥4。
实施例2
制备ta10钛合金φ159×7mm(直径×壁厚)管材：
步骤1，利用真空自耗电弧炉熔炼2次制备出ta10钛合金φ720mm铸锭，采用淬火金相法测得该铸锭相变点为885～895℃；
步骤2，对铸锭进行刨铣处理后，表面涂覆抗氧化防护涂层，在天然气炉中加热并保温后出炉，之后在10000吨快锻机上锻造成φ250×1200mm的棒坯，具体为在单相区锻造2～3火次，(α+β)两相区锻造2～3火次，其中单相区加热温度为950～1000℃，两相区加热温度820～880℃；
步骤3，将得到的棒坯经机械加工从棒坯中心取出φ115mm的实心棒料，得到ф250/ф165×1200mm的空心毛管；
步骤4，将空心毛管置于电阻炉中加热至820～880℃，保温0.5～1.5h后在精锻机上进行径向锻造2～3火次，精锻成ф170/ф135×l≥3500mm的管坯，锻造时管坯的径向尺寸公差控制在±1mm，精锻后管坯平直度＜3mm/1000mm；；
步骤5，将管坯在真空退火炉中加热至620～680℃进行退火处理，保温1～3h后空冷，消除加工应力；
步骤6，将管坯在深孔钻床上进行车削加工，加工成(φ159±0.4)×7×lmm的成品管材；
其中钛合金铸锭经过步骤2和步骤4处理，总锻比≥4。
实施例3
制备ta10钛合金φ190×8mm(直径×壁厚)管材：
步骤1，利用真空自耗电弧炉熔炼2次制备出ta10钛合金φ720mm铸锭，采用淬火金相法测得该铸锭相变点为885～895℃；
步骤2，对铸锭进行刨铣处理后，表面涂覆抗氧化防护涂层，在天然气炉中加热并保温后出炉，之后在10000吨快锻机上锻造成φ268×1200mm的棒坯，具体为在单相区锻造2～3火次，(α+β)两相区锻造2～3火次，其中单相区加热温度为950～1000℃，两相区加热温度820～880℃；
步骤3，将得到的棒坯经机械加工从棒坯中心取出φ130mm的实心棒料，得到ф268/ф180×1700mm的空心毛管；
步骤4，将空心毛管置于电阻炉中加热至820～880℃，保温0.5～1.5h后在精锻机上进行径向锻造2～3火次，精锻成ф200/ф163×l≥3800mm的管坯，锻造时管坯的径向尺寸公差控制在±1mm，精锻后管坯平直度＜3mm/1000mm；
步骤5，将管坯在真空退火炉中加热至620～680℃进行退火处理，保温1～3h后空冷，消除加工应力；
步骤6，将管坯在深孔钻床上进行车削加工，加工成(φ190±0.5)×8×lmm的成品管材；
其中钛合金铸锭经过步骤2和步骤4处理，总锻比≥4。
实施例4
制备ta10钛合金φ219×8.5mm(直径×壁厚)管材：
步骤1，利用真空自耗电弧炉熔炼2次制备出ta10钛合金φ720mm铸锭，采用淬火金相法测得该铸锭相变点为885～895℃；
步骤2，对铸锭进行刨铣处理后，表面涂覆抗氧化防护涂层，在天然气炉中加热并保温后出炉，之后在10000吨快锻机上锻造成φ292×1200mm的棒坯，具体为在单相区锻造2～3火次，(α+β)两相区锻造2～3火次，其中单相区加热温度为950～1000℃，两相区加热温度820～880℃；
步骤3，将得到的棒坯经机械加工从棒坯中心取出φ170mm的实心棒料，得到ф292/ф220×2000mm的空心毛管；
步骤4，将空心毛管置于电阻炉中加热至820～880℃，保温0.5～1.5h后在精锻机上进行径向锻造2～3火次，精锻成ф233/ф192×l≥4000mm的管坯，锻造时管坯的径向尺寸公差控制在±1mm，精锻后管坯平直度＜3mm/1000mm；
步骤5，将管坯在真空退火炉中加热至620～680℃进行退火处理，保温1～3h后空冷，消除加工应力；
步骤6，将管坯在深孔钻床上进行车削加工，加工成(φ219±0.5)×8.5×lmm的成品管材。
其中钛合金铸锭经过步骤2和步骤4处理，总锻比≥4。
实施例5
制备ta22钛合金φ159×6mm(直径×壁厚)管材：
步骤1，利用真空自耗电弧炉熔炼2次制备出ta22钛合金φ720mm铸锭，采用淬火金相法测得该铸锭相变点为940～950℃；
步骤2，对铸锭进行刨铣处理后，表面涂覆抗氧化防护涂层，在天然气炉中加热并保温后出炉，之后在10000吨快锻机上锻造成φ242×1200mm的棒坯，具体为在单相区锻造3～4火次，(α+β)两相区锻造4～6火次，其中单相区加热温度为1050～1100℃，两相区加热温度为860～910℃；
步骤3，将φ242棒坯经机械加工从棒坯中心取出φ115mm的实心棒料，得到ф242/ф165×1200mm的空心毛管；
步骤4，将空心毛管置于电阻炉中加热至860～910℃，保温0.5～1.5h后在精锻机上进行径向锻造2～3火次，精锻成ф170/ф135×l≥3500mm的管坯，锻造时管坯的径向尺寸公差控制在±1mm，精锻后管坯平直度＜3mm/1000mm；
步骤5，将管坯在真空退火炉中加热至680～740℃进行退火处理，保温1～3h后空冷，消除加工应力；
步骤6，将管坯在深孔钻床上进行车削加工，加工成(φ159±0.4)×6×lmm的成品管材；
其中钛合金铸锭经过步骤2和步骤4处理，总锻比≥5。
实施例6
制备ta22钛合金φ190×6.5mm(直径×壁厚)管材：
步骤1，利用真空自耗电弧炉熔炼2次制备出ta22钛合金φ720mm铸锭，采用淬火金相法测得该铸锭相变点为940～950℃；
步骤2，对铸锭进行刨铣处理后，表面涂覆抗氧化防护涂层，在天然气炉中加热并保温后出炉，之在10000吨快锻机上锻造成φ255×1400mm的棒坯，具体为在单相区锻造3～4火次，(α+β)两相区锻造4～6火次，其中单相区加热温度为1050～1100℃，两相区加热温度为860～910℃；
步骤3，将得到的棒坯经机械加工从棒坯中心取出φ135mm的实心棒料，得到ф255/ф185×1400mm的空心毛管；
步骤4，将空心毛管置于电阻炉中加热至860～910℃，保温0.5～1.5h后在精锻机上进行径向锻造2～3火次，精锻成ф200/ф166×l≥3500mm的管坯，锻造时管坯的径向尺寸公差控制在±1mm，精锻后管坯平直度＜3mm/1000mm；
步骤5，将管坯在真空退火炉中加热至680～740℃进行退火处理，保温1～3h后空冷，消除加工应力；
步骤6，将管坯在深孔钻床上进行车削加工，加工成(φ190±0.5)×6.5×lmm的成品管材；
其中钛合金铸锭经过步骤2和步骤4处理，总锻比≥5。
实施例7
对实施例1-6制备得到的钛合金管材进行室温力学性能测试，每个试样测试两遍，并与技术要求进行对比，结果如表1和表2所示，表中“-”表示不做要求，“实测”表示技术要求中没有明确规定数值。
表1实施例1-4的ta10钛合金管材室温力学性能
表2实施例5-6得到的ta22钛合金管材室温力学性能
分别对实施例1-6得到的钛合金管材进行：
(1)超声波检验，所有实施例得到的管材均满足gb/t12969.1标准要求。
(2)水压试验：ta10钛合金管材试验压力为7.5mpa，保压10min；ta22钛合金管材试验压力为14.5mpa，保压10min。
测试结果表明，所有实施例得到的管材均满足水压试验要求。
(3)压扁试验：所有实施例得到的钛合金管材压扁试验均合格。
(4)扩口试验：所有实施例得到的钛合金管材扩口试验均合格。