随着深层、超深层油气资源成为我国油气增储上产的重要接替，钻井管柱重量不断增大，对钻井工具提出了更高的技术需求。Ti-6Al-4V-1Mo-1Zr合金具有低密度、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等特点，在石油钻采领域具有广阔的应用前景，但如何在保证强度和塑性的同时提高冲击韧性是钛合金应用的难点。为提高钛合金钻杆使用性能，通常采用退火工艺来稳定钛合金组织、消除内应力及提高塑性。但传统退火热处理工艺过程合金组织发生粗化，导致钛合金强度降低。中国石油集团渤海石油装备制造有限公司总工程师冯春正高级工程师针对已工业化应用的Ti-6Al-4V-1Mo-1Zr钛合金钻杆材料，开展固溶时效热处理工艺对合金组织和性能的影响研究，为其在石油钻采领域的推广应用提供理论依据和实验室内数据支持。相关研究认识刊登在《石油学报》第45卷第5期。
冯春教授团队探讨了不同热处理工艺下的组织演变规律，实验结果表明Ti-6Al-4V-1Mo-1Zr合金在两相区固溶时效时产生双态组织，初生α相体积分数随固溶温度升高而减少，β转变组织及次生α相尺寸和体积分数随固溶温度升高而增加。
研究厘清了不同组织参量钛合金钻杆材料力学性能变化规律，发现在两相区固溶时效条件下，随着固溶温度的降低，材料抗拉强度和屈服强度分别增加至995MPa和902MPa，冲击功增加至42.5J；TSSA工艺处理后合金形成α和β相间的片层组织，材料抗拉强度974MPa，屈服强度932MPa，冲击功45J。
提出了钛合金钻杆材料裂纹扩展理论模型假设，认为Ti-6Al-4V-1Mo-1Zr合金的韧性与裂纹扩展路径和曲折程度有关，路径越长越曲折则材料韧性越高。等轴组织中裂纹能平直地穿过转变β基体中的α相；片层组织中裂纹沿着α/β相界面扩展或穿过α集束，随着α片层和α集束位向的变化不断改变扩展方向。
论文链接：http://www.syxb-cps.com.cn/CN/10.7623/syxb202405008
