技术领域
[0001] 本公开涉及一种用于制造复合材料管的方法，并且涉及一种复合材料管，该复合材料管包括至少一个多层部分，该至少一个多层部分具有由第一
合金制成的环形外层和由第二合金制成的环形内层。
背景技术
[0002] 当制造复合材料管时，该复合材料管具有至少一个由第一合金制成的环形外层和至少一个由第二合金制成的环形内层，在制造工艺期间存在
氧化问题，因为氧气可能会进入环形内层与环形外层之间，并且因此阻止了金属结合，并且还增加了在热加工期间两个环形层分离的
风险。解决这一问题的一种方法是在热加工之前将环形内层和环形外层在它们的端部处
焊接在一起。
[0003] 然而，存在上述技术不适合的情况，例如用于制造复合材料管的情况，该复合材料管中，内层和外层中的至少一个层包括难以焊接的合金，诸如，例如
铁铬
铝(FeCrAl)合金和其它高温材料。
发明内容
[0004] 鉴于上面提及的问题，期望的是提供一种用于制造复合材料管的替代方法。
[0005] 根据本公开的第一方面，这通过一种用于制造复合材料管的方法而实现，该方法包括以下的步骤：
[0006] -提供由第二合金制成的环形基部部件，其中该环形基部部件具有沿着环形基部部件的纵向轴线延伸的中心通孔，并且其中环形基部部件具有外
螺纹区段，[0007] -提供由第一合金制成的环形外部部件，其中该环形外部部件具有
内螺纹区段，该内螺纹区段被构造用以与环形基部部件的
外螺纹区段接合，
[0008] -通过将环形外部部件围绕环形基部部件安装来形成管状
工件，使得环形外部部件的内螺纹区段与环形基部部件的外螺纹区段接合，从而在螺纹区段之间形成机械互
锁，[0009] -对管状工件进行热加工，使得在一方面，在维持机械互锁的同时在外部部件和基部部件的螺纹区段之间形成金属结合，并且使得在另一方面，工件被拉长并且管状工件的外径被减小，从而形成复合材料管。
[0010] 通过在热加工之前借助于螺纹接合将基部部件和外部部件机械互锁，形成了机械密封。另外，
螺纹连接将在环形基部部件的表面与环形部件的表面之间产生较大的
接触面积，因为接触面积将变得更大，由此将形成金属结合的面积也将增加。因此，将改善形成金属结合的条件。此外，还发现，由螺纹连接提供的机械密封足以防止氧气进入环形基部部件与环形外部部件之间。螺旋螺纹连接还有效地防止了部件在热加工期间分离与滑动这两者。
[0011] 环形基部部件和环形外部部件可以被构造成使得，当环形外部部件已经被螺纹连接到环形基部部件上时，防止外部部件相对于基部部件的进一步轴向移动。为此目的，可以在基部部件的外螺纹区段的端部处提供止动装置，从而防止外部部件的前导端在螺纹连接期间进一步前进。这种止动装置例如可以是外径大于外螺纹区段处的外径的区段，或者是向外突出的止动构件。一种替代方案是在内螺纹区段的尾端处提供止动装置，从而防止尾端在轴向方向上进一步前进到基部部件上。这种止动装置可以是这样的区段形式，该区段具有比内螺纹区段处的内径小的内径，或者可以是向内突出的止动构件。
[0012] 根据所提出的方法，在热加工期间在环形基部部件与环形外部部件之间形成金属结合，同时维持机械互锁。机械互锁可以看作是在所得到的复合材料管的环形内层与环形外层之间的交界面中形成的螺旋，其增加了交界面的面积，并且因此与没有这种螺旋的复合材料管相比，其可以有助于改善被施加到复合材料管的
力的分布。因此，根据所提出的方法制造的复合材料管能够承受交界面中的较高
载荷。
[0013] 金属结合通
过热加工(诸如热挤出、热
拉拔、
热轧或热冲孔等)或其它合适的技术形成。
[0014] 螺纹区段以及环形基部部件和环形外部部件的轴向延伸部可以变化，并且环形基部部件可以例如具有比环形外部部件更大的轴向延伸部(长度)。环形基部部件的螺纹区段和环形外部部件的螺纹区段分别可以沿着每个部件的全部或部分延伸，如下面将进一步描述的那样。
[0015] 根据一个
实施例，外螺纹区段具有轴向延伸部，该轴向延伸部对应于内螺纹区段的轴向延伸部。当螺纹区段具有相等的长度时，氧气进入部件之间的风险降低或甚至消除，并且条件非常适合于在复合材料管的内层与外层之间形成金属结合。在该实施例中，环形外部部件和环形基部部件可以在轴向方向上具有相等或不相等的长度。
[0016] 根据一个实施例，外螺纹区段对应于环形基部部件的端部部分。因此，环形基部部件的端部部分将机械地锁紧到环形外部部件。
[0017] 根据一个实施例，外螺纹区段具有较小的外径，该外径比环形基部部件的相邻的非螺纹区段小。在该实施例中，可以形成具有双层部分和
单层部分的管，因为环形外部部件的长度可以比环形基部部件的长度短，从而对应于外螺纹区段的长度。在该实例中，环形基部部件的非螺纹区段可以具有对应于环形外部部件的外径的外径。
[0018] 根据一个实施例，外螺纹区段沿着环形基部部件的整个轴向长度延伸。因此，环形基部部件非常适合于形成多层复合材料管，该多层复合材料管的所有层均是沿着管的整个轴向长度延伸的。替代性地是，几个较短的环形基部部件可以围绕环形基部部件安装，以形成具有外层的复合材料管，该外层包括由不同合金制成的两个或更多个轴向相邻部分。
[0019] 根据一个实施例，内螺纹区段沿着环形外部部件的整个轴向长度延伸。环形外部部件可以围绕一个环形基部部件或围绕几个较短的环形基部部件安装。
[0020] 根据一个实施例，热加工的步骤包括热挤出，热挤出通过将管状工件推挤通过挤出模来实现，其中前导端首先通过挤出模。热挤出适合于在基部部件与外部部件之间形成金属结合，同时有效地减小工件的外径。
[0021] 根据一个实施例，前导端是这样的端部部分，在该端部部分处，外部部件围绕基部部件安装。对于环形外部部件仅被安装在环形基部部件的一个端部处的管状工件，该构造有助于估计复合材料管的双层部分的最终长度。
[0022] 一种替代方案是使前导端是未设置有环形外部部件的端部区段，即：挤出工件，使得围绕基部部件安装有环形外部部件的端部区段作为工件的最后一个部分被推挤通过挤出模。在这种情况下，环形外部部件设置在工件的尾端处。
[0023] 根据一个实施例，所述方法还包括在挤出之前对前导端进行加工，使得形成圆化的前导端。这有助于将管状工件的前导端推挤通过挤出模。该加工可以是从前导端移除材料的切削加工，诸如
铣削或
车削。
[0024] 根据一个实施例，所述方法还包括在热挤出之后校直复合材料管的步骤。
[0025] 根据一个实施例，所述方法还包括在热挤出之后对复合材料管进行
酸洗和/或
喷砂的步骤。酸洗和/或喷砂用于移除不需要的材料，例如从热加工工艺剩余下来的
润滑剂。
[0026] 根据一个实施例，所述方法还包括在对管状工件进行热加工的步骤之前预
热管状工件的步骤。对于某些合金组合，预热可以有利于在热加工工艺中形成金属结合。
[0027] 根据一个实施例，第一合金选自不锈
钢合金、镍基合金、铁铬
铝合金、
碳钢合金、锆合金、铝合金、
铜合金或
钛合金。
[0028] 根据一个实施例，第二合金具有与第一合金不同的组分，并且第二合金选自
不锈钢合金、镍基合金、铁铬铝合金、
碳钢合金、锆合金、铝合金、铜合金或钛合金。该方法有利地用于难以通过焊接进行连结的合金。该第二合金和该第一合金两者均可以是例如具有不同元素组分或不同
合金元素含量的不锈钢合金。
[0029] 根据另一方面，本公开涉及使用所提出的制造方法形成的复合材料管。由于复合材料管能够在不焊接的情况下制造出来这一事实，这种复合材料管可以具有通常会难以连结的内合金层和外合金层。机械互锁在复合材料管的内层与外层之间的交界面中形成螺旋，并且增加两个层之间的交界面的面积。因此，与没有这种螺旋的复合材料管相比，它有助于改善复合材料管所受的力的分布。因此，所提出的复合材料管可以能够承受交界面中的较高载荷。
[0030] 根据一个实施例，复合材料管具有由所述第二合金制成的单层部分，以及多层部分，该多层部分具有由所述第一合金制成的环形外层和由所述第二合金制成的环形内层。因此，复合材料管的一部分是多层的(例如是双层的)，而另一部分是单层的。可以根据应用来调整单层部分和多层部分的轴向延伸部。复合材料管的外径和内径沿着该管可以是恒定的或基本上恒定的。“基本上恒定”在此应理解为变化不超过10％。
[0031] 根据一个实施例，复合材料管被形成为双层管，该双层管具有由所述第一合金制成的环形外层和由所述第二合金制成的环形内层，这两层均沿着复合材料管的整个轴向延伸部延伸。替代性地是，复合材料管可以具有沿着复合材料管的长度延伸的环形内层，以及环形外层，该环形外层包括由不同合金制成的几个轴向相邻部分，或者反过来。
[0032] 根据一个实施例，复合材料管被形成为多层管，该多层管具有由所述第一合金制成的环形外层和由所述第二合金制成的环形内层，这两层均沿着复合材料管的整个轴向延伸部延伸，其中所述环形外层和所述环形内层彼此接触。可以在环形内层的内部或环形外层的外部提供另外的层。例如取决于所使用的合金，所述多层可以在同一热加工工艺中或在随后的热加工工艺中形成。
[0033] 本公开还涉及在不同的应用内使用所提出的复合材料管，不同的应用诸如、但不限于
炭黑生产、玻璃生产和/或钢和
金属加工，乙烯炉管、转化炉管、用于粉
煤注入的枪管、用于
石灰窑的枪管、气体枪管、气体端口管、
喷嘴管、
马弗管、同流换热器管和
气化器管。所提出的复合材料管还可以在例如联接应用、
热交换器管、
燃烧器等中使用。
[0034] 从以下描述中，所提出的管和制造方法的其它有利特征以及优点将显现出来。
[0035] 定义
[0036] 复合材料管在本文中应理解成是具有至少一个多层部分的管，该至少一个多层部分具有由不同合金制成的环形层，即至少一个由第一合金制成的环形外层和至少一个由第二合金制成的环形内层。这种复合材料管通常也被称为复合型管。
[0037] 多层在本文中应理解为具有至少两个层。
[0038] 在本公开中，使用了术语“管”。然而，也可以使用术语“管道”。
附图说明
[0039] 下面将参考附图描述所提出的管和制造方法的实施例，这些实施例不应被解释为是限制性的，在附图中
[0040] 图1示意性地示出了根据第一实施例的复合材料管的立体图，
[0041] 图2示意性地示出了根据第一实施例的复合材料管的纵向截面，
[0042] 图3示意性地示出了根据第二实施例的复合材料管的纵向截面，
[0043] 图4是示出所提出的方法的实施例的
流程图，
[0044] 图5a至图5c示意性地示出了在所提出的方法的实施例中使用的基部部件和外部部件，
[0045] 图6示意性地示出了在所提出的方法的实施例中使用的基部部件和内部部件的多个部分的纵向截面，
[0046] 图7示意性地示出了在所提出的方法的实施例中使用的工件的多个部分的纵向截面，
[0047] 图8a至图8b示出了根据实施例的复合材料管的纵向截面，和
[0048] 图9示出了根据实施例的复合材料管的横向截面。
具体实施方式
[0049] 图1和图2中示意性地示出了根据第一实施例的复合材料管101。复合材料管101沿着纵向轴线A延伸，并且是双层的，其具有由第一合金制成的环形外层102和由第二合金制成的环形内层103。两个层102、103都沿着复合材料管的整个轴向延伸部延伸。
[0050] 图3示出了具有双层部分204和单层部分205的复合材料管。双层部分204具有由第一合金制成的环形外层202和由第二合金制成的环形内层203。单层部分205完全由第二合金形成，双层部分204的内层203也由该第二合金形成。
[0051] 图4中示意性地示出了一种用于制造根据本公开的复合材料管101、201的方法。还参考了图5a至图5c，其示出了在工艺中使用的基部部件301和外部部件401，并且还参考了图6至图7。
[0052] 在第一步骤1中，提供了由第二合金制成的基部部件301，基部部件301用来形成图3中所示的复合材料管201的内层203。基部部件301是具有圆形截面的管，该管具有沿着纵向轴线A延伸的中心通孔。提供了外螺纹区段302，外螺纹区段302具有形成在基部部件301的外周表面中的螺旋螺纹306(参见图5b)。螺纹区段可以在整个基部部件上延伸，但是在图
5a至图5c中所示的实施例中，该螺纹区段对应于基部部件301的端部部分。因此，所示的基部部件301具有与螺纹区段302相邻的非螺纹区段303。基部部件的内径d沿着纵向轴线是恒定的或基本恒定的，但是非螺纹区段303的外径D1大于螺纹区段302的外径D2。
[0053] 在第二步骤2中，提供了由第一合金制成的外部部件401。外部部件401也是具有圆形截面的管，该管具有沿着纵向轴线A延伸的中心通孔。在所示的实施例中，外部部件401在纵向方向上的长度对应于基部部件301的螺纹区段302的长度。外部部件401具有内螺纹区段402，在所示的实施例中，内螺纹区段402沿着外部部件401的整个长度延伸。换句话说，螺旋螺纹406(参见图5c)形成在外部部件401的内周表面中。因此，外部部件401被构造用以与基部部件301的外螺纹区段302螺纹接合。外部部件401的外径D3等于或基本上等于基部部件301的非螺纹区段303的外径D1，而外部部件401的内径d2匹配基部部件301的螺纹区段302的外径D2。
[0054] 在第三步骤3中，通过以下方式形成了管状工件：将外部部件401围绕基部部件301安装，使得外部部件401的内螺纹区段402与基部部件301的外螺纹区段302接合，也就是将外部部件401螺纹连接到基部部件301的螺纹端部部分上。因此，在螺纹区段302、402之间形成机械互锁。
[0055] 在第四步骤4中，在第三步骤3中形成的工件被热加工，例如通过热挤出。在热加工期间，在螺纹区段302、402之间形成金属结合，同时维持机械互锁。还减小了工件的外径，并且形成了复合材料管201。在随后的步骤(未示出)中，复合材料管201可以在热加工之后被校直和/或酸洗和/或喷砂。然后，将管切割成其最终长度。
[0056] 图5a中所示的部件301、401适合于热挤出，该热挤出通过将工件推挤通过挤出模来实现(前导端首先通过挤出模)，其中该前导端是安装有外部部件401的端部。基部部件301的外螺纹区段302与非螺纹区段303之间的过渡表面308是光滑的，而没有尖锐的边缘。
在图5b中更详细地示出了过渡表面308，图5b示出了图5a中的画圈区域B的放大图。过渡表面的截面形状为倒置的S，其中凹入部分304最靠近螺纹区段302，而凸出部分305最靠近非螺纹区段303。外部部件401具有带有对应的S形的端部表面408，其中凸出部分404靠近内螺旋螺纹406，而凹入部分405靠近外部部件401的外周表面407，如图5c中所示，图5c示出了图
3a中的画圈区域C的放大图。因此，端部表面408的凹入部分405将与过渡表面308的凸出部分305重叠，这防止了在挤出工艺期间氧气的分离和渗透。
[0057] 另一种选项是使前导端在挤出工艺中是未安装有外部部件的端部。在这种情况下，如图6中所示，基部部件301形成有C形凹入过渡表面308，使得其在挤出期间浮在外部部件401的圆化的环形端部表面408上并且形成密封。因此，当安装了部件301、401以形成工件时，基部部件301的外周表面307与外部部件401的外周表面407重叠。
[0058] 图7示出了工件501的各部分的截面视图，工件501适合于热挤出，该热挤出通过将工件501推挤通过挤出模(前导端502首先通过挤出模)，其中前导端502是安装有外部部件401的端部。上面安装有外部部件401的端部已经被加工，以形成圆化的端部表面503。在该实施例中，基部部件301的过渡表面308和外部部件401的过渡表面408的设计与图5a到图5c中所示的设计有些不同。如在截面中看出的，基部部件301的过渡表面308包括垂直于纵向轴线A的第一笔直部分309，以及相对于纵向轴线A以30°的
角度α倾斜的第二笔直部分310。
弯曲的表面连接两个笔直部分309、310。当然，角度α可以变化。
[0059] 外部部件401的过渡表面408被形成为与过渡表面308接合并重叠，使得形成密封。在外部部件的总壁厚t中，第一笔直部分309延伸了厚度h。
[0060] 通过以下非限制性示例进一步说明本公开：
[0061] 示例1
[0062] 在第一次生产试验中，制造了八个根据图3中所示的实施例的复合材料管。形成了由第一合金制成的八个外部部件和由第二合金制成的八个基部部件。在这种情况下，第一合金是根据ASTM 304L的奥氏体不锈钢合金。表Ⅰ中公开了以重量百分比(重量％)测量的第一合金的组分。
[0063]C Si Mn P S Cr Ni Fe
≤0.030 0.5 1.3 ≤0.030 ≤0.015 18.5 10 余量
[0064] 表I
[0065] 第二合金是根据ASTM牌号A-1的碳钢，该碳钢具有如表Ⅱ中所公开的重量％的组分。
[0066]C Si Mn P S Fe
0.2 0.3 0.7 ≤0.035 ≤0.035 余量
[0067] 表II
[0068] 每个基部部件具有520mm的总长度，140mm的外径和50mm的内径。通过切削加工形成了具有130mm的长度的外螺纹区段。外部部件各自具有130mm的长度和110mm的内径，并且设置有内螺纹。在八对外部部件和基部部件中，其中四对具有图5a至图5c中所示的过渡设计，四对具有图6中所示的过渡设计。
[0069] 外部部件在
碱性超声浴中洗涤，而基部部件使用
乙醇进行
脱脂。然后，将外部部件螺纹连接到基部部件上，以形成工件。
[0070] 将工件在400℃下预热四小时，并且之后使用两个不同的挤出方向进行热挤出。具有图5a到图5c中所示的设计的四个工件以安装有外部部件的端部作为前导端被挤出，而剩余的工件以另一端部作为前导端被挤出。随后，将工件冷却、校直并酸洗。
[0071] 使用在
硝酸和
磷酸中蚀刻的试样的光学
显微镜检查的材料表征示出了，在两个挤出方向上的挤出期间，部件之间均形成了金属结合。还使用
超声波对此进行了确认。在复合材料管的内层与外层之间的交界面处可清楚地检测到形成机械互锁的螺旋延伸的螺纹。
[0072] 图8a示出了根据示例1制造的并且以安装有外部部件的端部作为前导端被挤出的复合材料管的双层部分的纵向截面的图片。复合材料管具有双层部分，该双层部分具有外层202和内层203。在层202、203之间的交界面中，能够看到螺旋延伸的螺纹206。应当注意的是，所示的复合材料管尚未被通过移除挤出管的最前部分而切割成其最终长度，该最前部分首先被
挤压通过挤出模并且仅由形成双层部分的内层的第二合金组成。图8b是更详细地特写示出螺旋螺纹206的放大图。该图片是在枪管的最前部分处拍摄的，该最前部分对应于工件的前导端。图9是示出复合材料管的双层部分的横向截面的图片。在该视图中，也可以看到螺旋延伸的螺纹206。
[0073] 示例2
[0074] 在第二次生产试验中，制造了十个根据图3中所示的实施例的复合材料管。形成了由第一合金制成的十个外部部件和由第二合金制成的十个基部部件。在这种情况下，第一合金是以商标 APM为人所知的铁铬铝(FeCrAl)合金。表Ⅲ中公开了以重量百分比(重量％)测量的第一合金的组分。
[0075]C Si Mn Al Cr Fe
≤0.08 ≤0.07 0.7 6 22 余量
[0076] 表III
[0077] 第二合金是根据ASTM 446-1的铁素体不锈钢，该铁素体不锈钢具有如表Ⅳ中所公开的重量％的组分。
[0078]C Si Mn P S Cr N Fe
≤0.20 0.5 0.8 ≤0.030 ≤0.015 26.5 0.2 余量
[0079] 表IV
[0080] 每个基部部件具有400mm的总长度，164mm的外径D1和41mm的内径d。通过切削加工形成了具有95mm的长度和154mm的外径D2的外螺纹区段。外部部件各自具有95mm的长度和154mm的内径d2，并且设置有内螺旋螺纹。部件具有图7中所示的过渡设计。外部部件的壁厚t为5mm，并且厚度h为1.8mm。螺旋螺纹具有2mm的
螺距。
[0081] 部件使用乙醇进行脱脂。之后，将外部部件401螺纹连接到基部部件301上，以形成工件，诸如图7中所示的那样。
[0082] 之后，将工件加热到900℃并在表Ⅴ中所示的
温度下热挤出。工件以安装有外部部件的端部作为前导端被挤出。
[0083]工件 挤出温度(℃)
S1 1120
S2 1120
S3 1120
S4 1120
S5 1120
S6 1090
S7 1090
S8 1070
S9 1070
S10 1050
[0084] 表V
[0085] 在热挤出之后，将形成的复合材料管校直并使用钢砂进行喷砂。
[0086] 使用
能量色散
X射线光谱法，研究了在
热处理期间的双层部分的外层上是否已经形成了保护性氧化铝氧化皮，以及内层与外层之间是否已经形成了金属结合。发现了表面上已经形成氧化铝氧化皮并且外层中已经形成氮化铝析出物，这表明氮从由第二合金ASTM 446-1制成的内层扩散到了由第一合金 APM制成的外层，这继而表明了在所述层之间形成了金属结合。
[0087] 发现了所制造的复合材料管的双层部分的长度在90cm到150cm的范围内。使用光学和
电子显微镜在测试试样中测量外层的厚度，并且发现该厚度在600μm到900μm之间。
[0088] 当然，可以改变所提出的方法中使用的部件的尺寸，以及所使用的合金和热加工期间使用的参数。还可以包括各种其它处理步骤，诸如预热和
冷轧。基部部件和外部部件的设计可以根据应用而变化，并且还可以提供两个外部部件，基部部件的每个端部部分上各一个，或者可以提供彼此相邻的两个或更多个外部部件。此外，可以在外部部件的不同端部处或者彼此相邻地提供多于一个的基部部件。此外，可以提供多于两个层，例如使得基部部件包括具有两个层的复合材料管，而环形外部部件包括单层管，在这种情况下，最终复合材料管具有三个环形层。
[0089] 所提出的方法和复合材料管不限于上述实施例，而是在不脱离所附
权利要求书的范围的情况下，其改型的许多可能性对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
