Ti80 鈦合(he)金(jin)是我國自行研制(zhi)的(de) 875 MPa 級耐(nai)蝕可焊(han) α-β 型結(jie)構鈦合(he)金(jin)，其名義(yi)成分為 Ti-6Al-3Nb- 2Zr-1Mo，在國標中對(dui)應的(de)牌號為 TA31。其由(you) 于(yu)優(you)異的(de)沖(chong)擊(ji)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)、斷(duan)裂韌(ren)(ren)性(xing)(xing)和(he)耐(nai)蝕性(xing)(xing)能，以(yi)及良好的(de)焊(han)接性(xing)(xing)能，現已批(pi)量化(hua)(hua)應用于(yu)潛艇和(he)水(shui)中兵(bing)器的(de)受力構件、螺栓、軸以(yi)及耐(nai)壓殼體(ti)等(deng)，在船舶、 石油、化(hua)(hua)工、機械等(deng)領域具有廣闊的(de)應用前景。

本文首次(ci)開展了海(hai)洋工程(cheng)用(yong)超(chao)大規格(ge) Ti80 鈦合(he)金(jin)鍛坯的(de)工程(cheng)化(hua)制備研(yan)究，對(dui)所研(yan)制的(de)超(chao)大規 格(ge)鍛坯在(zai)不(bu)同位(wei)置(zhi)、不(bu)同方(fang)向的(de)組織和(he)性能進行 分析和(he)評價(jia)，以推進 Ti80 鈦合(he)金(jin)材料在(zai)海(hai)洋工程(cheng) 領域的(de)應用(yong)。

1、實驗材料

實驗(yan)材料為(wei)西部超(chao)導材料科技(ji)股份有限公(gong)司經(jing) 3 次真空(kong)自耗電(dian)弧熔煉的 Ti80 鈦合(he)金(jin)鑄錠(ding)(ding)(ding)。鑄錠(ding)(ding)(ding)規格為(wei) Φ1020 mm，單重超(chao)過 11000 kg，鑄錠(ding)(ding)(ding)實物圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu) 1 所(suo)示，采用(yong)金(jin)相(xiang)法測(ce)得其相(xiang)變點為(wei) 995 ～1000 ℃。鑄錠(ding)(ding)(ding)經(jing) 80 MN 快鍛(duan)機在(zai)相(xiang)變點以上開坯(pi)鍛(duan)造(zao)，充分破碎鑄態組織后，在(zai)相(xiang)變點以下多次鐓拔(ba)變形，進一步細化晶粒，最后，將坯(pi)料在(zai) α-β 兩(liang)相(xiang)區鍛(duan)造(zao)成 340 mm × 1800 mm × 2700 mm 的鍛(duan) 坯(pi)，鍛(duan)坯(pi)單重超(chao)過 7500 kg，鍛(duan)坯(pi)實物圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu) 2 所(suo)示。

圖(tu) 1 Ti80 鈦合金鑄錠實物圖(tu)

圖 2 Ti80 鈦(tai)合金鍛坯實物圖

2、實驗儀器及方法 

在鍛(duan)坯頭部和尾部分(fen)別取 340 mm × 1750 mm ×25 mm 的試(shi)樣(yang)片進(jin)(jin)行(xing)(xing)(xing)熱(re)處理，熱(re)處理制度(du)為(wei) 965 ℃ / 2 h，冷卻(que)方(fang)式為(wei)空冷。熱(re)處理后(hou)(hou)進(jin)(jin)行(xing)(xing)(xing)低倍(bei)組織(zhi)觀察(cha)， 同時，在低倍(bei)試(shi)樣(yang)的不同部位取 15 mm × 15 mm × 25 mm的金(jin)(jin)相(xiang)試(shi)樣(yang)，金(jin)(jin)相(xiang)試(shi)樣(yang)取樣(yang)位置如圖 3 所示。采用配比為(wei) HF∶ HNO3 ∶ H20 = 1 ∶ 3 ∶ 5 的腐蝕(shi)(shi)液腐蝕(shi)(shi)后(hou)(hou)，使用 OLYMPUS 立(li)式金(jin)(jin)相(xiang)顯微鏡對顯微組織(zhi)進(jin)(jin)行(xing)(xing)(xing)觀察(cha)分(fen)析。在表層和 1 /2 厚度(du)處分(fen)別按(an)照 LT ( 橫 向(xiang)) 和 ST ( 縱向(xiang)) 方(fang)向(xiang)取樣(yang)，按(an)照 GB /T 228. 1— 2010進(jin)(jin)行(xing)(xing)(xing)室(shi)溫(wen)拉(la)伸性能(neng)檢測(ce)，按(an)照 GB /T 229— 2007進(jin)(jin)行(xing)(xing)(xing)室(shi)溫(wen)沖(chong)擊性能(neng)檢測(ce)，其中，沖(chong)擊試(shi)樣(yang)規 格(ge)為(wei)55 mm × 10 mm × 10 mm，加工成 45° × 2 mm 的 V 型缺口試(shi)樣(yang)。利用 ZWICK/150 萬(wan)能(neng)拉(la)伸實(shi)驗機進(jin)(jin) 行(xing)(xing)(xing)室(shi)溫(wen)拉(la)伸性能(neng)測(ce)試(shi)，利用 ZWICK/BＲA 擺錘沖(chong)擊 實(shi)驗機進(jin)(jin)行(xing)(xing)(xing)沖(chong)擊性能(neng)檢測(ce)。

圖(tu) 3 金(jin)相試樣取樣示意圖(tu)

3、結果與討論 

3. 1 鑄錠成(cheng)分(fen)均(jun)勻性

在(zai)鑄錠的(de)頭部(bu)、中部(bu)、尾部(bu) 3 個部(bu)位取(qu)樣進行化學成分(fen)(fen)分(fen)(fen)析，成分(fen)(fen)檢測(ce)結果如表 1 所示。由表 1 可(ke)以看出，Ti80 鈦合金鑄錠的(de)主(zhu)元素 Al、Nb、Zr 和 Mo 的(de)極(ji)差分(fen)(fen)別為 900、400、300 和 400 ppm，雜 質元素 O 的(de)極(ji)差可(ke)以控制在(zai) 80 ppm，表明(ming)鑄錠整體成分(fen)(fen)均(jun)勻(yun)性良好。

表(biao) 1 Ti80 鈦合金的化學成分(fen) ( %，質量分(fen)數)

3. 2 鍛(duan)坯性能穩定性 

Ti80 鈦(tai)合(he)(he)金鍛(duan)坯(pi)的(de)(de)(de)拉伸性(xing)能和沖擊性(xing)能檢測結果(guo)如圖(tu) 4 和圖(tu) 5 所(suo)示，不(bu)(bu)同(tong)(tong)位置(zhi)、不(bu)(bu)同(tong)(tong)方向(xiang)的(de)(de)(de)抗拉強(qiang)度 Ｒm 和屈服強(qiang)度 Ｒp0. 2偏差(cha)(cha)分別(bie)為 6 MPa，伸長率(lv) A 的(de)(de)(de)偏差(cha)(cha)為 2% ，斷(duan)面收縮率(lv) Z 的(de)(de)(de)偏差(cha)(cha)為 4% ，沖擊功 Kv2的(de)(de)(de)偏差(cha)(cha)為 5 J，表明(ming) Ti80 鈦(tai)合(he)(he)金鍛(duan)坯(pi)不(bu)(bu)同(tong)(tong)位置(zhi)、 不(bu)(bu)同(tong)(tong)方向(xiang)的(de)(de)(de)力學性(xing)能差(cha)(cha)異(yi)很(hen)小，具(ju)有良好的(de)(de)(de)性(xing)能穩定性(xing)。

圖 4 Ti80 鈦(tai)合金鍛(duan)坯的拉伸性能

圖 5 Ti80 鈦合(he)金鍛坯的沖擊(ji)性能

3. 3 鍛坯組織(zhi)均(jun)勻性

Ti80 鈦合金(jin)鍛(duan)坯(pi)頭部(bu)和尾部(bu)的低倍組(zu)織(zhi)如圖 6所示，由圖 6 可以(yi)看出，鍛(duan)坯(pi)頭部(bu)和尾部(bu)的低倍組(zu)織(zhi)均(jun)勻一致，均(jun)為均(jun)勻的模糊晶組(zu)織(zhi)。

圖7 為 Ti80 鈦合(he)金鍛坯不同位(wei)置的(de)(de)橫(heng)向顯微組織(zhi)(zhi)照片(pian)。由圖 7 可(ke)以看出，鍛坯熱處理后不同位(wei)置 的(de)(de)顯微組織(zhi)(zhi)基本一致，均為球狀初(chu)生 α + 片(pian)層次(ci)生 α 組成的(de)(de)雙(shuang)態(tai)組織(zhi)(zhi)，在(zai)轉變(bian) β 基體(ti)上分(fen)布著初(chu)生的(de)(de) 等軸和(he)拉長 α 相，不同位(wei)置組織(zhi)(zhi)均勻性良好。均勻 分(fen)布的(de)(de)片(pian)層 α 相可(ke)以有效保證合(he)金具有良好的(de)(de)沖擊韌性。 

4、結論

1) 西部(bu)超導公司率先在國內實現了(le) Φ1020 mm、 單(dan)重(zhong)超過 11000 kg 超大規格的 Ti80 鈦合(he)金鑄錠熔煉(lian) 及單(dan)重(zhong) 7500 kg 超大規格的 Ti80 鈦合(he)金鍛(duan)坯鍛(duan)造的能力。

2) Ti80 鈦合金(jin)鑄錠(ding)不同部位的成(cheng)分均(jun)勻性良好，各主元素極差均(jun)控制在 1000 ppm 以內。

3) Ti80 鈦合金鍛(duan)坯不同位置(zhi)及(ji)方向的(de)力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)差異極小，力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)穩定性(xing)(xing)良好(hao)。鍛(duan)坯不同位置(zhi)的(de)低倍組(zu)(zu)織和(he)顯微組(zu)(zu)織均(jun)勻一(yi)致，表明鍛(duan)坯具(ju)有(you)良好(hao)的(de)組(zu)(zu)織均(jun)勻性(xing)(xing)。

圖 6 Ti80 鈦(tai)合金鍛坯的低倍組織 ( a) 頭部 ( b) 尾部

圖7 不同位置的 Ti80 鈦(tai)合(he)金鍛坯的顯微組織 ( a) 表(biao)(biao)層(ceng) 1 ( b) 表(biao)(biao)層(ceng) 2 ( c) 表(biao)(biao)層(ceng) 3 ( d) 1 /2 厚度(du) 1 ( e) 1 /2 厚度(du) 2 ( f) 1 /2 厚度(du)

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