海洋工程用超大规格Ti80钛合金锻坯制备研究

Ti80钛合金是我国自行研制的875MPa级耐蚀可焊α-β型结构钛合金，其名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，在国标中对应的牌号为TA31。其由于优异的冲击韧性、断裂韧性和耐蚀性能，以及良好的焊接性能，现已批量化应用于潜艇和水中兵器的受力构件、螺栓、轴以及耐压壳体等，在船舶、石油、化工、机械等领域具有广阔的应用前景。

本文首次开展了海洋工程用超大规格Ti80钛合金锻坯的工程化制备研究，对所研制的超大规格锻坯在不同位置、不同方向的组织和性能进行分析和评价，以推进Ti80钛合金材料在海洋工程领域的应用。

1、实验材料

实验材料为西部超导材料科技股份有限公司经3次真空自耗电弧熔炼的Ti80钛合金铸锭。铸锭规格为Φ1020mm，单重超过11000kg，铸锭实物图如图1所示，采用金相法测得其相变点为995～1000℃。铸锭经80MN快锻机在相变点以上开坯锻造，充分破碎铸态组织后，在相变点以下多次镦拔变形，进一步细化晶粒，最后，将坯料在α-β两相区锻造成340mm×1800mm×2700mm的锻坯，锻坯单重超过7500kg，锻坯实物图如图2所示。

图1Ti80钛合金铸锭实物图

图2Ti80钛合金锻坯实物图

2、实验仪器及方法

在锻坯头部和尾部分别取340mm×1750mm×25mm的试样片进行热处理，热处理制度为965℃/2h，冷却方式为空冷。热处理后进行低倍组织观察，同时，在低倍试样的不同部位取15mm×15mm×25mm的金相试样，金相试样取样位置如图3所示。采用配比为HF∶HNO3∶H20=1∶3∶5的腐蚀液腐蚀后，使用OLYMPUS立式金相显微镜对显微组织进行观察分析。在表层和1/2厚度处分别按照LT(横向)和ST(纵向)方向取样，按照GB/T228.1—2010进行室温拉伸性能检测，按照GB/T229—2007进行室温冲击性能检测，其中，冲击试样规格为55mm×10mm×10mm，加工成45°×2mm的V型缺口试样。利用ZWICK/150万能拉伸实验机进行室温拉伸性能测试，利用ZWICK/BＲA摆锤冲击实验机进行冲击性能检测。

图3金相试样取样示意图

3、结果与讨论

3.1 铸锭成分均匀性

在铸锭的头部、中部、尾部3个部位取样进行化学成分分析，成分检测结果如表1所示。由表1可以看出，Ti80钛合金铸锭的主元素Al、Nb、Zr和Mo的极差分别为900、400、300和400ppm，杂质元素O的极差可以控制在80ppm，表明铸锭整体成分均匀性良好。

表1Ti80钛合金的化学成分(%，质量分数)

3.2 锻坯性能稳定性

Ti80钛合金锻坯的拉伸性能和冲击性能检测结果如图4和图5所示，不同位置、不同方向的抗拉强度Ｒm和屈服强度Ｒp0.2偏差分别为6MPa，伸长率A的偏差为2%，断面收缩率Z的偏差为4%，冲击功Kv2的偏差为5J，表明Ti80钛合金锻坯不同位置、不同方向的力学性能差异很小，具有良好的性能稳定性。

图4Ti80钛合金锻坯的拉伸性能

图5Ti80钛合金锻坯的冲击性能

3.3 锻坯组织均匀性

Ti80钛合金锻坯头部和尾部的低倍组织如图6所示，由图6可以看出，锻坯头部和尾部的低倍组织均匀一致，均为均匀的模糊晶组织。

图7为Ti80钛合金锻坯不同位置的横向显微组织照片。由图7可以看出，锻坯热处理后不同位置的显微组织基本一致，均为球状初生α+片层次生α组成的双态组织，在转变β基体上分布着初生的等轴和拉长α相，不同位置组织均匀性良好。均匀分布的片层α相可以有效保证合金具有良好的冲击韧性。

4、结论

1)西部超导公司率先在国内实现了Φ1020mm、单重超过11000kg超大规格的Ti80钛合金铸锭熔炼及单重7500kg超大规格的Ti80钛合金锻坯锻造的能力。

2)Ti80钛合金铸锭不同部位的成分均匀性良好，各主元素极差均控制在1000ppm以内。

3)Ti80钛合金锻坯不同位置及方向的力学性能差异极小，力学性能稳定性良好。锻坯不同位置的低倍组织和显微组织均匀一致，表明锻坯具有良好的组织均匀性。

图6Ti80钛合金锻坯的低倍组织(a)头部(b)尾部

图7不同位置的Ti80钛合金锻坯的显微组织(a)表层1(b)表层2(c)表层3(d)1/2厚度1(e)1/2厚度2(f)1/2厚度

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