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 875 MPa 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 Φ1020 mm，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 80 MN 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 340 mm × 1800 mm × 2700 mm 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 340 mm × 1750 mm ×25 mm 的試樣片進行熱處理，熱處理制度為 965 ℃ / 2 h，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 15 mm × 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 × 10 mm × 10 mm，加工成 45° × 2 mm 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 5 J，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。

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

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。 

4、結論

1) 西部超導公司率先在國內實現了 Φ1020 mm、 單重超過 11000 kg 超大規格的 Ti80 鈦合金鑄錠熔煉 及單重 7500 kg 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 1000 ppm 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。

圖 6 Ti80 鈦合金鍛坯的低倍組織 ( a) 頭部 ( b) 尾部

圖7 不同位置的 Ti80 鈦合金鍛坯的顯微組織 ( a) 表層 1 ( b) 表層 2 ( c) 表層 3 ( d) 1 /2 厚度 1 ( e) 1 /2 厚度 2 ( f) 1 /2 厚度

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