鈦合金壓力容器研究進展

＊嚴坤 邵雪

（1.武漢第二船舶設計研究所 湖北 430064 2.長江大學機械工程學院 湖北 434023）

壓力容器是用來在高壓下保存液體或氣體的，在航空航天、石油天然氣、醫療等行業均有應用，傳統的壓力容器一般是由鋁或鋼制作，鈦合金材料與鋼或鋁相比，是一種更年輕的結構材料，同時具有優異性能，包括耐腐蝕性、高比強度、高溫穩定性等[1]。

在20世紀40年代末開始，就已有鈦合金應用的實例，近年來，有關壓力容器的研究主要集中在成型方式、焊接工藝、失效研究等方面，因此本文主要從以上幾個方面來介紹國內外鈦合金壓力容器的國內外研究進展。

1.鈦與鈦合基

鈦是地球上最豐富的金屬之一，鈦合金因其具有密度低、強度高、耐腐蝕等優點被廣泛應用[2]，鈦合金主要由α相、β相、α+β相組成[3]。這些源于金屬在1155K下的同素異形變形，從低溫六方密堆積α相到高溫體心立方β相，如圖1所示[4]。

圖1 鈦的α相和β相結構

鈦合金的性能取決于合金化對這兩個相穩定性、物理和機械行為的影響。單相α合金廣泛應用于強度要求不高但更注重鈦的抗腐蝕性的應用中；單相β合金能夠滿足應用中所需的具有足夠韌性和抗疲勞性的極高強度的各種要求；兩相α+β合金提供了一系列強度、韌性和高溫性能的組合[5-6]。

2.鈦合基壓力容器的成型方式

鈦的成形性很差，因此鈦合金部件不能在室溫下正常成形。它們通常在高溫環境中制造，使它們的成形性大大增強，并且在高溫下它們的變形阻力顯著降低。

(1)鈦合金壓力容器超塑性成型方式

超塑形[7]是指金屬在恒定的、可控的應變率下，通常在高溫下，達到的超過1000%的高伸長率而無緊縮的特性。超塑性成型方式被廣泛應用于生產幾何形狀復雜的零件。鈦合金使用氣體壓力和壓縮軸向載荷進行超塑性成形。

封閉在密封模具中的矩形模具，由加壓惰性氣體（如氬氣）的入口施加均勻壓力。將要形成的隔膜剛性地夾緊在外殼外部的外圍，導致邊界明顯變薄[8]。吹塑成型的氣體壓力保持在1～2MPa之間，以形成接近半球形的圓頂，頂部具有平衡雙軸應力狀態，赤道處具有平面應變平衡狀態[9]。零件在不同成形階段的幾何形狀變化具體如圖2所示。

圖2 零件成型的不同階段

(2)鈦合金壓力容器直接脈沖電流電磁成形熱塑性成形

該成型方式是一種同時結合脈沖電流加熱和電磁成形的高速成形方法。具有高強度和高電阻率的鈦合金板被直接加載到大脈沖電流，并且脈沖電流從板的一側流入并流出到另一側，因此板通過脈沖放電被快速的體積加熱。同時，高導電性金屬銅塊靠近板材的表面會誘發相反的渦流并產生電磁斥力，從而使鈦合金板材產生熱塑性高速成形。脈沖電流直接流過高強度、低電導率的鈦合金板，板將產生快速的體積加熱，而電磁力則在高電導率的銅塊上感應。反作用力反過來推動鈦合金板的高速成形，該成形方法實現了高強度和低電導率鈦合金板的高速成形[10-11]。如圖3所示。

圖3 電磁成型原理

(3)鈦合金壓力容器的熱拉伸蠕變成型

電阻加熱是一種在幾分鐘內將金屬材料加熱到目標溫度的有效且經濟的方法，它利用金屬中電流產生的熱量，即焦耳熱。電阻加熱有助于減少鈦合金板的回彈并提高其成形性。通過電阻加熱的熱拉伸蠕變成型利用了上述優點，特別是高加熱速度。制造薄壁鈦合金構件是一種節能高效的方法[12]。

熱拉伸蠕變成型是一種制造薄壁（如薄板或型材）鈦合金部件的新技術。在該過程中，通過電阻加熱將金屬坯料加熱至目標溫度，并拉伸至超過其屈服強度。然后，將坯料彎曲到模具工作表面上的目標位置，然后拉伸到目標應變。在工作表面上方的位置，工件保持幾分鐘。材料蠕變，同時材料中的應力松弛。因此，可以精確地形成零件，設備圖如圖4所示。

圖4 熱拉伸蠕變成型設備

3.鈦合基壓力容器的焊接工藝

焊接用于鈦合金壓力容器生產的最后階段和制造用于連接的部件。因此，鈦合金壓力容器焊接的簡單性及其對機械性能的特殊影響是工程工作中極其重要的條件。焊接過程是使用高溫熔化金屬，然后使其冷卻，以將兩個零件連接在一起。目前鈦合金壓力容器所采用的焊接方式主要有電子束焊接、激光束焊接以及鎢極氣體保護焊等焊接方式。

張鋒[13]分析了鈦合金的焊接性以及電子束焊接工藝，證明電子束成功用于焊接鈦合金。李立善等[14]分析了電子束與鈦合金的作用機理和工藝裕度，優化了電子束工藝，獲得了更好的焊縫。張永和等[15]分析了鈦合金壓力容器電子束焊接時采用旋轉高斯曲面體熱源模型的溫度場，證明模擬結果與試驗結果基本一致，為之后獲得更好的焊縫提供了參考。

Zhimin Wang等研究了鈦合金在激光振蕩焊接技術下的焊縫外觀、顯微組織和力學性能。證明激光焊接可以形成較好的焊縫，還可以抑制高溫鈦合金的氣孔。Xiao-Long Gao等使用脈沖Nd對比了激光束焊接和鎢極氬弧焊接的殘余變形、焊縫幾何形狀、顯微組織和機械性能，證明激光焊接比鎢極氬弧焊接更適合Ti6Al4V鈦合金壓力容器。A.B.Short[18]介紹了鎢極氣體保護焊的工藝特點，并于激光束焊接和電子束焊接進行比較，證明在同等質量的焊縫下，鎢極氣體保護焊比激光束和電子束焊接所需成本更小。

目前也有許多的研究人員都在針對鈦合金壓力容器研究不同的焊接技術，以連接質量更高的焊接結構，并在整個過程中了解其機械性能和幾何結構。

4.鈦合基壓力容器的失效研究

鈦合金壓力容器在應用過程中會出現各種失效問題，造成生產事故。對鈦合金壓力容器進行失效分析研究，可以在設計階段對鈦合金壓力容器的結構進行充分評估，降低對鈦合金壓力容器在使用過程中被損傷及破壞的風險。

王琨[16]利用微觀分析技術分析了鈦合金高壓容器的失效機制。結果表明鈦合金高壓容器的斷裂是高壓氣體沖擊薄弱部分造成，為突發性斷裂特征，因此在后續的設計與使用中需要重視薄弱部位。

蘇彬等[17]利用有限元分析確定了鈦合金壓力容器壁厚與外壓載荷的關系圖，確定了在臨界失穩載荷下鈦合金壓力容器的最小壁厚。

邵飛翔等[18]對鈦合金壓力容器斷口進行顯微分析，結果表明鈦合金壓力容器可以通過熱處理進行優化，消除殘余應力，改善焊接的綜合性能。

賈學增等[19]采用熱力耦合模擬的方法和試驗對鈦合金壓力容器的疲勞失效進行分析，結果表明采用熱力耦合模擬的方法對鈦合金壓力容器進行分析與實際情況相符，可以為之后的疲勞失效分析提供依據。

P.Manikandan等分析了鈦合金壓力容器在退火條件下的拉伸性能、沖擊強度和斷裂韌性，以了解其機械性能的變化，從而評估設計裕度。研究發現鈦合金壓力容器的鍛造圓頂內部存在大量的加工硬化差異。Xiangyu Yu等基于Von Mises理論和數值軟件，研究了缺陷數量及其位置分布對鈦合金壓力容器極限強度的影響，研究結果表明存在缺陷的壓力容器的極限強度與缺陷的位置和分布有關，當壓力容器承受恒定壓力時，隨著平均比值和標準差的減小，極限強度呈下降趨勢。說明基于模擬的極限強度退化評估方法可用于檢查壓力容器的安全性。H.BRIGHTON ISAAC JOHN等對應力斷裂準則中的平均應力準則進行了修正。為了檢驗這些修正的有效性，考慮了不同厚度的中心裂紋鈦合金的斷裂數據。結果表明：缺口強度評估結果與試驗結果接近。

因此要預防鈦合金壓力容器失效，必須在設計、制造、使用和監督管理等方面加以重視，從這些方面進行有效的預防與糾正。

5.結語

近20年來，因其耐腐蝕、耐高溫等良好特性，鈦合金已成為高價值、重量敏感產品的重要結構材料。鈦合金正在成功地應用于飛機、飛機發動機和火箭發動機等產品。其在航空航天、汽車、石油等領域有較廣的應用，各類鈦合金壓力容器的相關技術也在快速發展中，有關鈦合金壓力容器的成型、焊接技術及失效研究等都在不斷的成熟，但仍有需要加強改善的地方，在之后的發展中，應對鈦合金材料及鈦合金壓力容器進行深入的研究，以縮短鈦合金壓力容器的生產周期，使生產成本變低。