海洋工程用超大規格Ti80鈦合金鍛坯制備研究

Ti80鈦合金是我國自行研制的875MPa級耐蝕可焊α-β型結構鈦合金，其名義成分為 Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，在國標中對應的牌號為TA31 。其由于優異的沖擊韌性、斷裂韌性和耐蝕性能，以及良 好的焊接性能，現已批量化應用于潛艇和水中兵器的受力構件、螺栓、軸以及耐壓殼體等，在船舶、 石油、化工、機械等領域具有廣闊的應用前景。本文首次開展了海洋工程用超大規格Ti80鈦合金鍛坯的工程化制備研究，對所研制的超大規格鍛坯在不同位置、不同方向的組織和性能進行分析和評價，以推進Ti80鈦合金材料在海洋工程領域的應用。

1 實驗材料

實驗材料為西部超導材料科技股份有限公司經3次真空自耗電弧熔煉的Ti80鈦合金鑄錠。鑄錠規格為φ1020mm，單重超過 11000 kg，鑄錠實物圖如圖1所示，采用金相法測得其相變點為995 ～1000℃。鑄錠經80MN快鍛機在相變點以上開坯鍛造，充分破碎鑄態組織后，在相變點以下多次鐓拔變形，進一步細化晶粒，最后，將坯料在α-β兩相區鍛造成340mm×1800mm×2700mm的鍛坯，鍛坯單重超過7500 kg，鍛坯實物圖如圖2所示。

圖 1 Ti80鈦合金鑄錠實物圖

圖 2 Ti80鈦合金鍛坯實物圖

2 實驗儀器及方法

在鍛坯頭部和尾部分別取340mm×1750mm×25mm的試樣片進行熱處理，熱處理制度為965 ℃/2h，冷卻方式為空冷。熱處理后進行低倍組織觀察， 同時，在低倍試樣的不同部位取15mm×15 mm× 25 mm的金相試樣，金相試樣取樣位置如圖3所示。采用配比為HF∶HNO3:H20=1:3:5 的腐蝕液腐蝕后，使用 OLYMPUS 立式金相顯微鏡對顯微組織進行觀察分析。在表層和1/2厚度處分別按照 LT ( 橫 向) 和 ST ( 縱向) 方向取樣，按照 GB/T 228.1-2010 進行室溫拉伸性能檢測，按照 GB /T 229— 2007 進行室溫沖擊性能檢測，其中，沖擊試樣規格為55 mm×10mm×10mm，加工成45°×2mm 的V型缺口試樣。利用 ZWICK/150 萬能拉伸實驗機進行室溫拉伸性能測試，利用 ZWICK/BＲA 擺錘沖擊實驗機進行沖擊性能檢測。

圖 3 金相試樣取樣示意圖

3 結果與討論

3.1 鑄錠成分均勻性 

在鑄錠的頭部、中部、尾部3個部位取樣進行化學成分分析，成分檢測結果如表 1 所示。由表1 可以看出，Ti80鈦合金鑄錠的主元素 Al、Nb、Zr 和 Mo 的極差分別為 900、400、300 和 400 ppm，雜質元素 O 的極差可以控制在 80 ppm，表明鑄錠整體成分均勻性良好。

表 1 Ti80鈦合金的化學成分 ( %，質量分數)

3.2 鍛坯性能穩定性

Ti80鈦合金鍛坯的拉伸性能和沖擊性能檢測結果如圖4和圖5所示，不同位置、不同方向的抗拉強度 Ｒm和屈服強度 Ｒp0.2偏差分別為6 MPa，伸長率A的偏差為2% ，斷面收縮率Z的偏差為 4% ，沖擊 功 Kv2的偏差為5J，表明Ti80鈦合金鍛坯不同位置、 不同方向的力學性能差異很小，具有良好的性能穩定性。

3.3 鍛坯組織均勻性

Ti80 鈦合金鍛坯頭部和尾部的低倍組織如圖 6所示，由圖6可以看出，鍛坯頭部和尾部的低倍組織均勻一致，均為均勻的模糊晶組織。

圖 4 Ti80鈦合金鍛坯的拉伸性能

圖 5 Ti80鈦合金鍛坯的沖擊性能

圖6Ti80 鈦合金鍛坯的低倍組織 ( a) 頭部 ( b) 尾部

圖7為 Ti80鈦合金鍛坯不同位置的橫向顯微組織照片。由圖 7 可以看出，鍛坯熱處理后不同位置的顯微組織基本一致，均為球狀初生α+片層次生α組成的雙態組織，在轉變β基體上分布著初生的 等軸和拉長α相，不同位置組織均勻性良好。均勻分布的片層α相可以有效保證合金具有良好的沖擊韌性。

圖7不同位置的Ti80鈦合金鍛坯的顯微組織

4 結論

( 1) 西部超導公司率先在國內實現了φ1020 mm、 單重超過11000kg 超大規格的Ti80鈦合金鑄錠熔煉及單重7500kg超大規格的 Ti80鈦合金鍛坯鍛造的能力。

( 2) Ti80鈦合金鑄錠不同部位的成分均勻性良好，各主元素極差均控制在1000ppm以內。

3) Ti80鈦合金鍛坯不同位置及方向的力學性能差異極小，力學性能穩定性良好。鍛坯不同位置的低倍組織和顯微組織均勻一致，表明鍛坯具有良好的組織均勻性。