海洋工程用超大規格Ti80鈦合金鍛件鍛坯化學成分與力學性能

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 [1 - 3] 。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 1000 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 ， 在相變點以下多次徹拔變形 ， 進一步細化晶粒 ， 最后 ， 將坯料在α+β兩相區鍛造成 340mm×1800 mm×2700mm的鍛坯 ， 鍛坯單重超過 7500 kg, 鍛坯實物圖如圖 2所示 。

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 T/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×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：:HN0O3:H2O = 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 55mm ×10mm×10mm , 加工成 45°×2mm 的V 型缺口試樣 。 利用 ZWICK/15 0 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。

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 0 的極差可以控制在 80 ppm, 表明鑄錠整體成分均勻性良好。

3.2 鍛坯性能穩定性

Ti80鈦合金鍛件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心和屈服強度尺妙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 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φ1020mm 、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 。

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