一種新型板式換熱器鈦帶制備工藝

供稿|牛文宇，魏東東，張平平，任浩，王欣，肖瑛 / NIU Wenyu, WEI Dongdong,ZHANG Pingping, REN Hao, WANG Xin, XIAO Ying

內容導讀

研究了3 種不同軋制工藝參數制備的0.5 mm 板式換熱器鈦帶的金相組織、強度、塑性以及表面硬度和杯突值。結果表明：采用方案2，在真空罩式爐中，退火溫度630 °C，保溫10 h，可獲得綜合性能良好的0.5 mm 板式換熱器用鈦帶；采用方案1 晶粒尺寸為63.5～89.5 μm，發生明顯的長大和粗化；方案3 晶粒尺寸13.2～18.5 μm。

鈦帶是用高品質海綿鈦作為原材料，經開平、分條工藝生產的鈦板材，幅寬1000～1530 mm。主要用于大型民航客機、軍用飛機、航天飛行器、核潛艇、核電站等高新技術領域[1]。其特殊用途很多，主要用于化工、冶金、電力等行業的純鈦板（寬度大于1000 mm），如板式換熱器用鈦板、復合板用鈦板、焊管用鈦板，餐具用鈦板等[2-3]。隨著我國能源和海水淡化項目啟動，鈦帶的用量越來越大，尤其是冷軋鈦帶。鈦板式換熱器（見圖1）用冷軋鈦帶，相比片式軋制生產鈦板，因生產效率高、成本低、尺寸精度及性能穩定，而深受鈦板式換熱器廠家的青睞。鈦板式換熱器是以波紋為傳熱面的新型、高效換熱器，廣泛應用于化工、石油、冶金、電力、船舶、海洋、醫藥等工業部門的加熱、冷卻、冷凝、蒸發工藝過程中[4-5]。隨著人們對板式換熱器優越性的進一步認識和其應用領域的擴大，板式換熱器的發展迅速，目前已成為主要的換熱設備。鈦板式換熱器由于其高效緊湊以及出色的抗腐蝕能力，已成為許多強腐蝕工況中的首選設備。對鈦板片壓制精度越高，板片之間的接觸點所承受壓力就越均勻，板片的承壓能力也越強。為了滿足壓制成型的“苛刻”條件，提高換熱效率，要求鈦板式換熱器板片（鈦板換料）厚度小于1 mm，常用鈦板換料厚度為0.5、0.6 和0.7 mm，對板式換熱器用鈦卷的強度、延伸率、杯突值、晶粒組織有著特別要求。

圖1 鈦板式換熱器

為了加大板式換熱器發展力度，使其更加廣泛的應用于各個領域，全面實現板式換熱器用鈦帶卷國產化，提高板換料質量。本文通過采用0 級海綿鈦投料，在不同的冷軋變形量下，通過中間退火以及成品退火工藝參數優化設計，研究組織均勻性、性能穩定性和尺寸精度，進一步提高板換料壓制成型率，獲得一種滿足標準要求的用于制備0.5 mm 板式換熱器的鈦帶。

實驗

實驗材料

實驗用料為湘潤新材料科技有限公司公司制備的直徑1020 mm、9 t 的TA1 鑄錠，鑄錠經4500 t 快鍛機開坯成200 mm×1250 mm 板坯進行軋制，對鑄錠進行3 次化學成分分析，結果見表1。

表1 TA1 鑄錠化學成分（質量分數） %

實驗方法

板式換熱器用鈦帶的生產加工流程為：0 級海綿鈦→電極塊制備→兩次真空自耗熔煉→板坯鍛造→板坯加工→板坯加熱→熱軋→熱線連續退火→冷軋→脫脂→真空罩式爐退火→拉矯→切邊→壓制成型。在完全結晶溫度條件下退火，退火溫度是晶粒尺寸變化的主要因素，其他工藝參數對組織影響較小，因此考察不同退火溫度對鈦帶力學性能、工藝性能和顯微組織的影響，方案工藝參數如表2所示。

表2 方案工藝參數

結果及討論

板式換熱器用鈦帶的質量與材料的成分、壓制模具有一定關系，但軋制工藝直接影響鈦帶的機械性能、工藝性能和顯微組織。經過以上3 種軋制工藝，檢測顯微組織、力學性能和工藝性能。

鈦帶材顯微組織

圖2 所示為3 種不同工藝參數制備厚度0.5 mm鈦帶金相組織圖。方案1 制備的厚度0.5 mm 鈦帶，其組織晶粒冷軋變形破碎的拉長纖維狀已發生再結晶，并發生明顯的長大和粗化，晶粒尺寸范圍63.5～89.5 μm；方案2 在真空罩式爐中，成品退火溫度630 °C，保溫10 h，晶粒組織均勻，晶粒尺寸為26.5～44.9 μm，壓制變形處表面色澤均勻一致，無晶粒粗糙現象；方案3 成品退火溫度620 °C，保溫10 h，被拉長軋制態形貌已完全消失，晶粒完全等軸化，部分晶粒已經長大，部分晶粒仍較為細小，晶粒尺寸為13.2～18.5 μm。對比3 種方案工藝參數，在真空罩式爐中，采用完全再結晶成品退火時，退火溫度從620 升高至650 °C，冷軋變形破碎的拉長纖維狀組織晶粒隨之長大，并發生明顯的粗化。

圖2 3 種不同方案的鈦帶顯微組織：(a)方案1 頭段；(b)方案1 尾段；(c)方案2 頭段；(d)方案2 尾段；(e)方案3 頭段；(f)方案3 尾段

鈦帶材力學性能和工藝性能

從制備的鈦帶材取樣，測試其拉伸性能、表面硬度和杯突值等指標，結果見表3?？梢钥闯?，采用3 種方案制備的鈦帶材，其橫向（T）及縱向（L）拉伸性能檢測結果，均符合板式換熱器技術標準[6]要求：抗拉強度Rm≥240 MPa，屈服強度Rp0.2≥140 MPa，延伸率A≥55%。鈦帶橫向機械性能實測值范圍：抗拉強度Rm=300～325 MPa，屈服強度Rp0.2=205～235 MPa，延伸率A=62%～67%，縱向機械性能實測值范圍：抗拉強度Rm=305～340 MPa，屈服強度Rp0.2=158～195 MPa，延伸率A=65%～68%。橫、縱向屈強比值范圍：0.52～0.72，符合板式換熱器技術標準要求中規定屈強比值≤0.75，表明材料沖壓性能較好；鈦帶表面硬度HV1 實測值范圍為112～125，滿足標準中要求規定表面硬度HV1≤130。杯突值檢測結果符合板式換熱器技術標準要求≥9.5 mm，其中采用方案1 制備的鈦帶頭、尾杯突值分別為11.3 和11.6 mm；方案2 制備的鈦帶頭、尾杯突值分別為11.2 和11.4 mm；方案3 制備的鈦帶頭、尾杯突值分別為10.6 和10.8 mm。因此3 種方案制備的0.5 mm 板式換熱器鈦帶力學性能和工藝性能均符合板式換熱器用鈦帶技術要求。

表3 3 種不同工藝制備的鈦帶力學性能和工藝性能

結果分析

對比3 種方案制備的鈦帶的金相組織、強度、塑性以及表面硬度和杯突值檢測結果，僅方案2 制備的厚度0.5 mm 板式換熱器鈦帶晶粒尺寸為26.5～44.9 μm，符合板式換熱器用鈦帶晶粒尺寸標準（20.0～80.0 μm）要求。其抗拉強度Rm=310～330 MPa，平均橫向屈服強度212.5 MPa，平均縱向屈服強度分別為180 MPa，平均延伸率為66.5%。平均杯突值為11.3 mm，平均表面硬度HV1 為119，力學性能和工藝性能也滿足板式換熱器用鈦帶技術要求。表明采用方案2 可獲得綜合性能良好的厚度0.5 mm 板式換熱器用鈦帶。

結束語

（1）對比3 種方案參數制備的厚度0.5 mm板式換熱器鈦帶，采用方案1，成品退火溫度650 °C，與方案2 相同的保溫時間，晶粒尺寸為63.5～89.5 μm，發生明顯的長大和粗化。相比方案1 和2，方案3 的成品退火溫度620 °C，晶粒尺寸13.2～18.5μm。

（2）3 種方案采用0 級海綿鈦投料，通過不同熱軋、冷軋變形量設計以及成品退火工藝，結果表明3 種方案制備的鈦帶都能滿足板式換熱器用鈦板力學性能和工藝性能要求，但采用方案2 在真空罩式爐中，成品退火溫度630 °C，保溫10 h，可滿足換熱器用鈦帶晶粒尺寸標準要求。