Ti80鈦合金是我國自行研制的875MPa級耐蝕可焊α-β型結(jié)構(gòu)鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，在國標(biāo)中對應(yīng)的牌號為TA31。其由于優(yōu)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(xiàn)已批量化應(yīng)用于潛艇和水中兵器的受力構(gòu)件、螺栓、軸以及耐壓殼體等，在船舶、石油、化工、機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文首次開展了海洋工程用超大規(guī)格Ti80鈦合金鍛坯的工程化制備研究，對所研制的超大規(guī)格鍛坯在不同位置、不同方向的組織和性能進(jìn)行分析和評價，以推進(jìn)Ti80鈦合金材料在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

1、實(shí)驗材料

實(shí)驗材料為西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉的Ti80鈦合金鑄錠。鑄錠規(guī)格為Φ1020mm，單重超過11000kg，鑄錠實(shí)物圖如圖1所示，采用金相法測得其相變點(diǎn)為995～1000℃。鑄錠經(jīng)80MN快鍛機(jī)在相變點(diǎn)以上開坯鍛造，充分破碎鑄態(tài)組織后，在相變點(diǎn)以下多次鐓拔變形，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，最后，將坯料在α-β兩相區(qū)鍛造成340mm×1800mm×2700mm的鍛坯，鍛坯單重超過7500kg，鍛坯實(shí)物圖如圖2所示。

圖1Ti80鈦合金鑄錠實(shí)物圖

圖2Ti80鈦合金鍛坯實(shí)物圖

2、實(shí)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(jìn)行熱處理，熱處理制度為965℃/2h，冷卻方式為空冷。熱處理后進(jìn)行低倍組織觀察，同時，在低倍試樣的不同部位取15mm×15mm×25mm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(jìn)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/T228.1—2010進(jìn)行室溫拉伸性能檢測，按照GB/T229—2007進(jìn)行室溫沖擊性能檢測，其中，沖擊試樣規(guī)格為55mm×10mm×10mm，加工成45°×2mm的V型缺口試樣。利用ZWICK/150萬能拉伸實(shí)驗機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測試，利用ZWICK/BＲA擺錘沖擊實(shí)驗機(jī)進(jìn)行沖擊性能檢測。

圖3金相試樣取樣示意圖

3、結(jié)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(jìn)行化學(xué)成分分析，成分檢測結(jié)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400ppm，雜質(zhì)元素O的極差可以控制在80ppm，表明鑄錠整體成分均勻性良好。

表1Ti80鈦合金的化學(xué)成分(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3.2 鍛坯性能穩(wěn)定性

Ti80鈦合金鍛坯的拉伸性能和沖擊性能檢測結(jié)果如圖4和圖5所示，不同位置、不同方向的抗拉強(qiáng)度Ｒm和屈服強(qiáng)度Ｒp0.2偏差分別為6MPa，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(xué)性能差異很小，具有良好的性能穩(wěn)定性。

圖4Ti80鈦合金鍛坯的拉伸性能

圖5Ti80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(tài)組織，在轉(zhuǎn)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(jié)論

1)西部超導(dǎo)公司率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了Φ1020mm、單重超過11000kg超大規(guī)格的Ti80鈦合金鑄錠熔煉及單重7500kg超大規(guī)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(nèi)。

3)Ti80鈦合金鍛坯不同位置及方向的力學(xué)性能差異極小，力學(xué)性能穩(wěn)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6Ti80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

參考文獻(xiàn):

［1］趙永慶．我國創(chuàng)新研制的主要船用鈦合金及其應(yīng)用［J］．中國材料進(jìn)展，2014，33(7):398－404．ZhaoYQ．Thenewmaintitaniumalloysusedforshipbuildingde-velopedinChinaandtheirapplications［J］．MaterialsChina，2014，33(7):398－404．

［2］陳軍，趙永慶，常輝，等．中國船用鈦合金的研究和發(fā)展［J］．材料導(dǎo)報，2005，19(6):67－70．ChenJ，ZhaoYQ，ChangH，etal．ＲesearchanddevelopmentoftitaniumalloyforshipbuildinginChina［J］．MaterialsＲeports，2005，19(6):67－70．

［3］曹福辛．載人潛水器材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］．中國材料進(jìn)展，2011，30(6):33－36．CaoFX．Developmentofmaterialsformanneddeep-oceansub-mersible［J］．MaterialsChina，2011，30(6):33－36．

［4］文志剛，王韋琪，王小翔，等．熱處理溫度對Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金板材顯微組織和性能的影響［J］．中國有色金屬學(xué)報，2010，20(1):647－649．WenZG，WangWQ，WangXX，etal．EffectofheattreatmenttemperatureonmicrostructureandpropertiesofTi-6Al-3Nb-2Zr-1Moplate［J］．TheChineseJournalofNonferrousMetals，2010，20(1):647－649．

［5］羅錦華，朱艷麗，孫小平，等．熱加工及熱處理工藝對Ti80合金棒材組織和性能的影響［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2016，33(2):20－24．LuoJH，ZhuYL，SunXP，etal．EffectofhotworkingandheattreatmentprocessonmicrostructureandpropertiesofTi80alloybar［J］．TitaniumIndustryProgress，2016，33(2):20－24．

［6］沙愛學(xué)，李興無，儲俊鵬，等．熱處理工藝對TA15鈦合金沖擊性能的影響［J］．稀有金屬，2006，30(1):26－29．ShaAX，LiXW，ChuJP，etal．EffectofheattreatmentprocessonimpactpropertiesofTA15titanium［J］．ChineseJournalofＲareMetals，2006，30(1):26－29．

［7］張奕，庾高峰，杜予咺，等．鍛造工藝對Ti-6321合金棒材顯微組織與力學(xué)性能的影響［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27(6):34－35．ZhangY，YuGF，DuYX，etal．Effectofforgeprocessonmi-crostructureandpropertiesofTi-6321alloybar［J］．TitaniumIn-dustryProgress，2010，27(6):34－35．

［8］GB/T228.1—2010，金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法［S］．GB/T228.1—2010，Metallicmaterials—Tensiletesting—art1:Methodoftestatroomtemperature［S］．

［9］GB/T229—2007，金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法［S］．GB/T229—2007，Metallicmaterials—Charpypendulumimpacttestmethod［S］．

［10］馬凡蛟，杜予咺，陳海生，等．退火工藝對Ti80合金組織與性能的影響［J］．金屬熱處理，2012，37(4):119－122．MaFJ，DuYX，ChenHS，etal．EffectofannealingtreatmentprocessonmicrostructureandpropertiesofTi80alloy［J］．HeatTreatmentofMetals，2012，37(4):119－122．

［11］孫志杰，李士凱，王洋，等．退火溫度對Ti80合金組織及力學(xué)性能的影響［J］．熱加工工藝，2019，48(10):189－192．SunZJ，LiSK，WangY，etal．EffectofannealingtreatmenttemperatureonmicrostructureandpropertiesofTi80alloy［J］．HotWorkingTechnology，2019，48(10):189－192．

［12］郝曉博，李渤渤，劉茵琪，等．Ti80合金中厚板沿厚度方向組織與性能的不均勻分布［J］．金屬熱處理，2019，44(2):50－53．HaoXB，LiBB，LiuYQ，etal．InhomogeneitydistributionofmicrostructureandpropertiesinthicknessdirectionofTi80alloymediumplate［J］．HeatTreatmentofMetals，2019，44(2):50－53．

［13］楊治軍，郭愛紅，吳義舟，等．Ti6321鈦合金退火處理過程中組織演變及其對沖擊韌性的影響［J］．中國有色金屬學(xué)報，2013，23(7):512－516．YangZJ，GuoAH，WuYZ，etal．MicrostructureevolutionofTi6321titaniumalloyduringannealingtreatmentanditseffectonimpacttoughness［J］．TheChineseJournalofNonferrousMetals，2013，23(7):512－516