雙金屬?gòu)?fù)合管成形工藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展

王永飛，趙升噸，張晨陽(yáng)

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710049）

0 引言

近年來，隨著世界能源需求的日益增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外都在加大開采石油、天然氣的力度，同時(shí)油氣田開采逐漸向深井、高腐蝕環(huán)境方向發(fā)展，而傳統(tǒng)的管材逐漸不適應(yīng)高腐蝕油氣的輸送，且采用耐腐蝕合金成本昂貴，于是雙金屬?gòu)?fù)合管材應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)單一金屬材料比，雙金屬管材具有良好的強(qiáng)度和耐腐蝕性，且成本低，故對(duì)于輸送混合氣液有廣泛的應(yīng)用前景。

雙金屬?gòu)?fù)合管由兩種不同的金屬管材構(gòu)成：一種管材在內(nèi)，另一種管材在外，內(nèi)管為耐腐蝕性合金，外管為高強(qiáng)度碳鋼管材，而管層間通過各種變形和連接技術(shù)形成緊密結(jié)合，按管層間的結(jié)合方式，可將其分為機(jī)械復(fù)合式和冶金復(fù)合式兩種。

1 雙金屬?gòu)?fù)合管成形機(jī)理及過程

1.1 機(jī)械復(fù)合成形機(jī)理及過程

雙金屬?gòu)?fù)合管的機(jī)械復(fù)合成形是依據(jù)材料的彈塑特性進(jìn)行的[1，2]，圖1 所示為以316L 不銹鋼內(nèi)管和X52 無(wú)縫鋼外管進(jìn)行內(nèi)外管復(fù)合時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變示意圖，內(nèi)外管裝配間隙的存在使外管的應(yīng)力-應(yīng)力曲線起點(diǎn)右移至A 點(diǎn)，內(nèi)管在壓力的作用下率先變形，當(dāng)變形量達(dá)到ε0時(shí)，內(nèi)管的外壁與外管的內(nèi)壁開始接觸，并繼而導(dǎo)致外管內(nèi)壁變形，在其后的變形過程中，內(nèi)管與外管同時(shí)變形，當(dāng)內(nèi)管、外管的變形量達(dá)到εx時(shí)變形結(jié)束；此時(shí)，外管仍保持在彈性形變的范圍之內(nèi)，而內(nèi)管發(fā)生完全塑性變形；當(dāng)壓力卸載以后，由于外管的內(nèi)應(yīng)力δC遠(yuǎn)大于內(nèi)管的內(nèi)應(yīng)力δE，且內(nèi)管的彈性回復(fù)量幾乎為零，兩管之間形成脹緊力及殘余接觸壓力，最終內(nèi)、外管處于過盈配合狀態(tài)下，形成緊密的機(jī)械結(jié)合。

圖1 內(nèi)外管復(fù)合時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

1.2 冶金復(fù)合成形機(jī)理及過程

雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行冶金復(fù)合的機(jī)理可分為熔融結(jié)合與擴(kuò)散結(jié)合兩類[3]，熔融結(jié)合即內(nèi)、外管材料的熔融金屬在液相混合凝固而形成冶金結(jié)合；擴(kuò)散結(jié)合即在較高的溫度下，使內(nèi)、外材料產(chǎn)生較大的塑性變形，金屬越過結(jié)合界面進(jìn)行擴(kuò)散而形成冶金結(jié)合。

2 機(jī)械復(fù)合成形工藝

2.1 機(jī)械拉拔法

機(jī)械拉拔法可分為兩種：一種是擴(kuò)徑擠壓拉拔法[4]，如圖2 所示，進(jìn)行擴(kuò)徑拉拔時(shí)，內(nèi)管和外管在拉擠模的作用下發(fā)生脹形擴(kuò)徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管層的緊配合；另一種是縮徑拉拔法[5]，如圖3 所示，進(jìn)行縮徑拉拔時(shí)，管坯在夾頭的作用下，通過成形模具，內(nèi)外管同時(shí)發(fā)生縮徑變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管層的緊配合。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，成形效率高；缺點(diǎn)是結(jié)合強(qiáng)度低，在高溫狀態(tài)下復(fù)合管會(huì)分層。

2.2 機(jī)械滾壓法

機(jī)械滾壓法[6]的原理如圖4 所示，通過心軸的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾動(dòng)體不斷擠壓復(fù)合管的內(nèi)壁，其周向分布的滾動(dòng)體能隨時(shí)自動(dòng)進(jìn)行徑向位移補(bǔ)償，同時(shí)將滾壓力保持穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的狀態(tài)，促使內(nèi)管產(chǎn)生徑向擴(kuò)脹的塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外管間產(chǎn)生殘余接觸應(yīng)力的緊密機(jī)械結(jié)合[7]。其優(yōu)點(diǎn)：摩擦阻力小、能耗低，驅(qū)動(dòng)功率低；缺點(diǎn)：易造成內(nèi)管壁變薄、嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致內(nèi)管開裂，且易在內(nèi)管形成加工硬化。

2.3 機(jī)械旋壓法

機(jī)械旋壓法的原理如圖5 所示，主軸帶動(dòng)組合在芯棒上的復(fù)合管坯旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，三個(gè)呈錐形狀的旋轉(zhuǎn)輪反方向地旋轉(zhuǎn)并前進(jìn)，使外層的碳鋼管均勻地貼在不銹鋼管之上，形成靜配合細(xì)螺紋狀的連結(jié)。其優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，成形效率高[8]；缺點(diǎn)：加工大管徑復(fù)合管比較困難，且管層界面間的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度較低，易發(fā)生結(jié)合界面分離或脫落等現(xiàn)象。

2.4 液壓脹形法

液壓脹形法的原理如圖6 所示，先將內(nèi)、外管套在一起放入模具，然后對(duì)內(nèi)管壁加內(nèi)壓，隨著內(nèi)壓升高，內(nèi)管由彈性變形逐漸進(jìn)入塑性變形，并貼緊外管，當(dāng)內(nèi)壓力升高到一定值時(shí)，外管將產(chǎn)生彈性變形并貼緊模具，當(dāng)內(nèi)壓力卸除后，外管回彈，內(nèi)管保持塑性變形，則內(nèi)外管緊密結(jié)合在一起[9]。其優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，逐漸加壓成形，管壁界面的接觸壓力分布均勻，管內(nèi)表面無(wú)擦傷或破壞現(xiàn)象。缺點(diǎn)：內(nèi)外管結(jié)合力較小，高溫下易產(chǎn)生應(yīng)力松弛，此外，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)密封技術(shù)要求非常高。

圖2 擴(kuò)徑擠壓拉拔法原理示意圖

圖3 縮徑擠壓拉拔法原理示意圖

圖4 機(jī)械滾壓法原理示意圖

圖5 機(jī)械旋壓法原理示意圖

圖6 液壓脹形法原理示意圖

2.5 抽真空法

抽真空法[10]的原理如圖7 所示，先對(duì)內(nèi)、外管端面處連接縫進(jìn)行封焊形成焊縫圈，且在復(fù)合管上有氣孔與封閉的兩管夾層空間連通，隨后，通過氣孔對(duì)夾層抽真空后再封焊氣孔，則內(nèi)、外管將在大氣壓的作用下緊密結(jié)合。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，復(fù)合管質(zhì)量好，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：界面的結(jié)合主要靠大氣壓的壓力擠壓而成，所以結(jié)合強(qiáng)度有限。

圖7 抽真空法原理示意圖

3 冶金復(fù)合成形工藝

3.1 熱加工法

熱加工法包括熱擠壓與熱軋，其基本原理是金屬管層在大的擠壓比下或軋制量下，露出大量新鮮表面，在熱的條件下擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)管層間的冶金結(jié)合。

3.1.1 熱擠壓復(fù)合法

熱擠壓復(fù)合法也稱為復(fù)合擠壓法[11]，如圖8 所示，其原理是將兩種或兩種以上金屬[12]組成的復(fù)合管坯料加熱到一定溫度，然后通過模具及心軸并在壓頭的作用下對(duì)其進(jìn)行擠壓，則當(dāng)擠壓坯料截面縮減到一定尺寸時(shí)，將在結(jié)合處產(chǎn)生“壓力鍛”的焊接效應(yīng)，進(jìn)而形成冶金結(jié)合的熱擠壓管[13]。其優(yōu)點(diǎn)：界面為完全的冶金結(jié)合，特別適用于熱加工性能不好、塑性低的高合金金屬的加工；缺點(diǎn)：由于結(jié)合質(zhì)量決定于擠壓過程中極短時(shí)間內(nèi)界面間元素的擴(kuò)散，故會(huì)因氧化物膜的存在而受影響。

圖8 熱擠壓法原理示意圖

3.1.2 熱軋復(fù)合法

熱軋復(fù)合法一般是先通過軋制工序施加足夠的力使復(fù)合板產(chǎn)生足夠的變形，破壞金屬表面的氧化膜，實(shí)現(xiàn)兩表面的焊接[14]，制備出具有冶金結(jié)合的復(fù)合板，之后利用焊管機(jī)得到雙金屬?gòu)?fù)合管。如圖9 所示為一種用軋制法制備覆銅鋼雙金屬管的方法[15]，將表面處理干凈的銅帶，壓制成“U”型并包覆在處理干凈的鋼材上，經(jīng)熱軋、剪切成帶材并卷成盤帶、酸洗后冷軋、光亮退火后剪成所需要直徑與寬度的管坯帶，并將坯帶的兩側(cè)軋制坡形搭接口，卷曲成形，定尺剪切，再在釬焊爐內(nèi)進(jìn)行釬焊、冷卻、出爐、矯直。其優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度高，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高、成本低；缺點(diǎn)：一次性投資大，材料選擇范圍小，溫度升高對(duì)材料性能有一定影響。

圖9 軋制法制備覆銅鋼雙金屬管示意圖

3.2 熱擴(kuò)散法

熱擴(kuò)散法成形的原理：如圖10 所示，向已產(chǎn)生物理接觸的雙層管的內(nèi)管中放入膨脹介質(zhì)并將其兩端焊接密封后，放在箱式電阻爐中進(jìn)行擴(kuò)散退火，則在內(nèi)壓力和熱激活的促進(jìn)作用下，金屬原子或?qū)⑼ㄟ^化學(xué)鍵而結(jié)合在一起，或?qū)⒋┻^結(jié)合面進(jìn)一步深入基體中進(jìn)行相互擴(kuò)散，從而形成冶金結(jié)合[16]。其優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、加熱溫度低，且制備的復(fù)合管尺寸精度高；缺點(diǎn)：保溫時(shí)間長(zhǎng)，成形效率較低。

圖10 熱擴(kuò)散法原理示意圖

3.3 鑄造復(fù)合法

3.3.1 離心鑄造法

離心鑄造法[17]的原理如圖11 所示，利用離心鑄造技術(shù)，分層澆鑄不同成分的金屬液，將內(nèi)外金屬的熔合層控制在一定厚度范圍內(nèi)，形成完全的冶金熔合[18]。其優(yōu)點(diǎn)：工藝過程簡(jiǎn)單，成形的復(fù)合管組織細(xì)密，夾雜物含量少，且具有較好的機(jī)械性能；缺點(diǎn)：鑄件易產(chǎn)生偏析、鑄件表面較為粗糙。

圖11 離心鑄造法原理示意圖

3.3.2 離心鋁熱法

離心鋁熱法[19]的實(shí)質(zhì)是在離心力作用下發(fā)生的鋁熱反應(yīng)，如圖12 所示，其原理是：將一定比例的鋁粉和其他金屬粉末均勻混合后填充在碳鋼管中，然后將管子放在離心機(jī)上進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，粉末在管的內(nèi)表面形成均勻的涂層，隨后點(diǎn)燃使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的高溫使與內(nèi)表面接觸的涂層被熔化，這些涂層與外管形成緊密結(jié)合的涂敷層。其優(yōu)點(diǎn)：在離心力場(chǎng)中引起鋁熱反應(yīng)形成復(fù)合管，工藝簡(jiǎn)單，成本較低，結(jié)合力高；缺點(diǎn)：鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的氧化鋁會(huì)影響復(fù)合管端口的焊接性能。

圖12 離心鋁熱法制備雙金屬?gòu)?fù)合管示意圖

3.3.3 消失模真空吸鑄法

消失模真空吸鑄法[20]成形的原理如圖13 所示，將用聚苯乙烯泡沫塑料制成內(nèi)管的模型管放入外管，在模型管內(nèi)壁上刷一層耐火涂料并烘干，安裝澆注系統(tǒng)，將它們埋入砂型后澆注耐磨材料，即可制成內(nèi)管為耐磨材料的雙金屬?gòu)?fù)合管。優(yōu)點(diǎn)：可制造不同管徑、壁厚及形狀的各類雙金屬?gòu)?fù)合管。缺點(diǎn)：鑄造的內(nèi)管表面較為粗糙，且污染環(huán)境。

圖13 消失模真空吸鑄法原理示意圖

3.4 焊接復(fù)合法

3.4.1 爆炸焊接法

爆炸焊接法是依靠炸藥爆炸產(chǎn)生足夠的沖擊力使兩復(fù)合表面形成固相焊接的[21]，可分為兩種：一種是間接法，即先通過爆炸焊接法得到兩種金屬的復(fù)合板，再經(jīng)過熱軋、冷軋等工藝形成復(fù)合帶，最后利用焊管機(jī)得到雙金屬?gòu)?fù)合管[22～24]；另一種是直接法，如圖14 所示，先把外管和內(nèi)管組裝成復(fù)合管坯，通過管內(nèi)炸藥爆炸所產(chǎn)生的沖擊波在十分短暫的過程中使被焊金屬表面形成一層薄的具有可塑性變形、熔化、擴(kuò)散以及波形特征的焊接過渡區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)外管和內(nèi)管的復(fù)合[25]。其優(yōu)點(diǎn)：一次性瞬間成形，工藝簡(jiǎn)單，爆炸成形各點(diǎn)壓力基本相同，結(jié)合強(qiáng)度高，適用材料范圍較廣；缺點(diǎn)：存在化學(xué)污染、噪聲污染且比較危險(xiǎn)，對(duì)精確計(jì)算炸藥用量需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。

圖14 爆炸焊接法示意圖

3.4.2 堆焊復(fù)合

堆焊[13]是采用特殊的工藝?yán)缛酆?、熱噴涂、噴熔等方法[26，27]，將滿足性能要求的金屬熔化，并使其在工件表面堆敷的工藝過程，可分為硬質(zhì)堆焊法和金屬噴射沉積法兩種。

硬質(zhì)堆焊法是通過熔化技術(shù)將一種金屬熔敷在另一種金屬表面上。其優(yōu)點(diǎn)：堆焊層結(jié)合強(qiáng)度高、殘余應(yīng)力小、表面質(zhì)量?jī)?yōu)良；缺點(diǎn)：成本高，速度較慢，難以堆焊結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件。

金屬噴射沉積法如圖15 所示，是將金屬熔體霧化后噴射到金屬表面，利用霧化金屬液高速凝固、快速冷卻及液滴的撞擊作用，獲得細(xì)小、無(wú)宏觀偏析的沉積顯微組織。其優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、效率高、周期短；缺點(diǎn)：不易控制，如何控制霧化顆粒到達(dá)基體表面的狀態(tài)及半凝固液層的厚度是關(guān)鍵[28]。

3.4.3 中頻感應(yīng)加熱釬焊法

中頻感應(yīng)加熱釬焊法[29]成形原理如圖16 所示，復(fù)合過程中管內(nèi)通以氬氣作為保護(hù)氣體，鋼管沿感應(yīng)線圈軸向連續(xù)進(jìn)給，進(jìn)入感應(yīng)線圈段時(shí)，釬料被加熱熔化，釬料與管間隙兩側(cè)的材料發(fā)生反應(yīng)，釬料熔化段移出線圈加熱段后，在冷卻水的作用下迅速凝固，從而形成管層的冶金結(jié)合[30]。其優(yōu)點(diǎn)：在外管與內(nèi)管間形成一層釬焊，填滿層間間隙，使外管和內(nèi)管之間形成了100%的冶金結(jié)合；缺點(diǎn)：中頻感應(yīng)加熱過程中的能耗較大。

圖15 金屬噴射沉積法原理示意圖

圖16 中頻感應(yīng)加熱釬焊法原理示意圖

3.5 電磁成形法

電磁成形法[31]是利用瞬間高壓脈沖磁場(chǎng)迫使金屬產(chǎn)生塑性變形，其原理如圖17 所示，當(dāng)給線圈通高頻脈沖電流時(shí)，由電磁感應(yīng)現(xiàn)象，放置在線圈外的管材表面各部分將受到洛侖磁力巨大的沖擊作用，在幾微秒內(nèi)就和另一管材進(jìn)行撞合，且在撞擊角度和撞擊速度匹配合適的條件下，接觸面將在幅值巨大的磁壓力作用下緊密結(jié)合，形成冶金連接。其優(yōu)點(diǎn)：能量控制準(zhǔn)確，重復(fù)率好，工裝簡(jiǎn)便，效率高；缺點(diǎn)：僅適于加工銅或鋁等強(qiáng)度低、導(dǎo)電性能好的金屬，且現(xiàn)有的設(shè)備裝機(jī)容量太小。

圖17 電磁成形法示意圖

3.6 粉末冶金復(fù)合法

粉末冶金復(fù)合法是將兩種合金粉先后充填在鋼制容器內(nèi)形成兩層粉末管坯，加蓋焊封，用熱等靜壓提高容器內(nèi)粉末的充填密度，再將管坯加熱進(jìn)行熱擠壓，用酸洗等方式除去外側(cè)作為容器部分的鋼，便制成了金屬?gòu)?fù)合管，其工藝流程[32]如圖18 所示。其優(yōu)點(diǎn)：成形件組織均勻，機(jī)械性能好，可實(shí)現(xiàn)近凈成形，能大大節(jié)約金屬；缺點(diǎn)：制備的復(fù)合管內(nèi)部存在孔隙，進(jìn)行小批量生產(chǎn)時(shí)，成本較高。

3.7 冷加工擴(kuò)散退火法

冷加工擴(kuò)散退火法的工藝流程[33]如圖19 所示，先將不同材質(zhì)的管坯分別制成冷軋或冷拔無(wú)縫管，再在內(nèi)層管坯的外側(cè)纏繞一層低熔點(diǎn)中間層薄帶，經(jīng)冷拔后，進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火。其優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合邊界明顯且均勻，結(jié)合強(qiáng)度高；缺點(diǎn)：生產(chǎn)周期長(zhǎng)，消耗能量大，成本較高。

3.8 冶金熔合離心坯擠壓法

圖18 粉末冶金復(fù)合法工藝流程

圖19 冷加工擴(kuò)散退火法工藝流程

冶金熔合離心坯擠壓法的工藝原理[34]：先通過離心鑄造法制備具有冶金熔合層的空心雙金屬?gòu)?fù)合坯，然后將其加熱并在擠壓筒內(nèi)鐓粗，再由擠壓桿推動(dòng)復(fù)合坯通過外膜和芯棒擠壓成復(fù)合管，其具體工藝如圖20 所示。其優(yōu)點(diǎn)：縮短了工藝流程，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了界面完全冶金結(jié)合[35]；缺點(diǎn)：在制備過程中存在管坯壁厚不均、澆注時(shí)間控制不當(dāng)時(shí)易出現(xiàn)金屬的混熔或分層、后續(xù)加工過程中復(fù)合管坯金屬使用率低。

圖20 冶金熔合離心坯擠壓法工藝流程

4 結(jié)論

（1）機(jī)械復(fù)合成形的雙金屬?gòu)?fù)合管，其成形機(jī)理通常都是內(nèi)管產(chǎn)生塑性變形、外管產(chǎn)生彈性變形來實(shí)現(xiàn)復(fù)合的，結(jié)合面存在局部間隙，因而結(jié)合強(qiáng)度較低，在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)界面分離等現(xiàn)象。但是機(jī)械復(fù)合成形工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，所以在對(duì)復(fù)合管的界面結(jié)合強(qiáng)度要求較低的情況下，機(jī)械復(fù)合成形工藝具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

（2）冶金復(fù)合成形的雙金屬?gòu)?fù)合管，其成形機(jī)理包括熔融結(jié)合和擴(kuò)散結(jié)合兩類，熔融結(jié)合即內(nèi)、外管材料的熔融金屬在液相混合凝固而形成的冶金結(jié)合；擴(kuò)散結(jié)合即在較高的溫度下，使內(nèi)、外材料產(chǎn)生較大的塑性變形，金屬越過結(jié)合界面進(jìn)行擴(kuò)散而形成的冶金結(jié)合。復(fù)合管的界面形成冶金結(jié)合后，具有良好的工藝性能，能夠進(jìn)行各種冷、熱壓力加工成形，因此，隨著社會(huì)需求越來越大，冶金結(jié)合式復(fù)合管以優(yōu)良的綜合性能將被廣泛使用，將成為未來金屬?gòu)?fù)合管研究和制造的主流。

（3）機(jī)械復(fù)合成形工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；冶金復(fù)合成形的復(fù)合管綜合性能優(yōu)良，具有良好的工藝性能，能夠進(jìn)行各種冷、熱壓力加工及焊接成形。所以，隨著制造方法的不斷創(chuàng)新和完善，高性能雙金屬?gòu)?fù)合管的制造及使用前景必將更加寬廣。

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