船舶制造用TA31铸造钛合金材料的组织与性能

TA31合金具有高强、高韧、可焊及耐蚀等综合性能，是我国自行研制的875 MPa级结构钛合金。与TC4合金相比，综合性能更优，主要应用于船用的受力结构件、螺栓、轴以及耐压壳体等[1-2]。TA31合金是一种近α型钛合金，名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo,通过α稳定元素A1的固溶强化，并加入少量的中性元素Zr和Nb强化合金。

目前，有关TA31合金的热加工行为主要体现在锻造组织及性能研究，其在铸造领域应用的相关研究报道较少。近期研究表明，采用TA31钛合金浇注的结构铸件，经工程实践，其强度、韧性及使用性能均满足要求。

本课题主要探讨了 TA31合金的铸造工艺、金相组织、热等静压及热处理对力学性能的影响，以期对该材料的推广应用提供参考。

1、试验材料及方法

铸件和附铸试样均采用石墨铸型重力铸造工艺生产。合金锭为经过2次熔炼的成分合格的TA31铸锭，采用150 kg真空自耗型壳炉熔炼。合金锭用机加工或打磨去除表面氧化皮，之后采用手工铸极氮弧焊将钛锭和电极卡头焊接在一起作为自耗电极，安装在电极杆上。用专用卡具将经过除气和预热的石墨铸型固定在离心转盘上，并将真空自耗型壳炉抽至真空度≤4 Pa时进行熔炼浇注。附铸试样尺寸为φ16 mm × 140mm,热处理后加工成标准拉伸试样。在CMT5105微机控制万能力学试验机上进行拉伸试验，采用Leica体视显微镜进行显微组织观察。

铸件浇注成形后，为消除内部缺陷进行热等静压处理。热等静压温度为920 ±10 C,就气压力为100〜140 MPa,保温时间为2-2.5 h,随炉冷却至300 °C以下出炉。退火工艺为真空下700+10 °C保温2 h,随炉冷却至300 C以下出炉。

2、试验结果及分析

2.1 TA31合金的化学成分

TA31钛合金的强化机制和其他钛合金一样，通过α稳定元素A1等对六方α相进行固溶强化。在合金中加入中性元素Zr、Nb及β稳定元素M。,可以改善其工艺性.因此该合金既具有α型钛合金良好的热强性和可焊性，又具有良好的塑性。

取浇注的TA31合金试样进行化学成分检测，结果见表1，其中1~3号试样为本次试验同炉试样，批量统计为近两年来铸件化学成分统计结果。

2.2 TA31铸造钛合金在不同状态下的组织

TA31合金在不同状态下的组织见图1。可以看出.TA31合金的金相组织在铸造状态下以针状、条状α相(白亮色区域)为主，存在少量β相(α相之间的暗色区域)，属于典型的魏氏组织和网篮组织；退火态组织以针状、条状α相为主.存在少量β相，退火态组织与铸态组织相近但相对铸态组织更加均匀。经热等静压(HIP)处理后，合金在α+β两相区长时间保温且高压作用下，晶内的针状或较细的α相组织发生粗化和部分碎断，导致原铸态组织中针状α相消失，形成板条状及少量的块状α相，晶界α相弱化并保留。

2.3 TA31铸造合金在不同状态下的力学性能

热等静压处理温度及退火温度均低于β相的转变温度，其热处理过程获得的组织主要源于合金在熔炼浇注冷却凝固时铸造组织的遗传。钛合金从高温缓慢冷却时,α相自β相中呈针状析出，并与β相保持严格的晶体学位向关系，反复的转变并不能破坏这一位向关系及其长针形态，故钛合金的魏氏组织具有顽强的遗传性[4]，通过常规的热处理很难改变其组织结构。一般认为不能通过热处理对其强化，因此其供货状态通常为热静压态或者退火态[5]。

TA31铸造钛合金同炉试样在退火态和HIP状态的力学性能见表2。表2中退火态及HIP态为同炉试样，不同热处理状态；HIP态(批量)为近百炉次交付铸件附铸试样统计结果；锻造及锻造+退火数据为目前行业内相关研究结果[1,3],可以看出，同炉试样HIP态相对退火态强度稍低但塑性提高，其主要原因为TA31铸造钛合金经热等静压后，使其微观组织发生粗化、针状α相消失，组织更加均匀稳定。

从表2还可发现,TA31铸造合金的强度与锻件性能相近，因此TA31合金具有良好的铸造综合力学性能，在某些领域可以替代锻造产品。

3、TA31钛合金在铸造领域的应用

近年来，TA31钛合金已经应用于铸件的试制和生产，尤其在船舶和特种车辆等领域。该类铸件产品交付状态通常为热等静压态。根据该合金批量铸件产品附铸试样的化学成分及力学性能检测统计.其化学成分均满足标准要求，其力学性能均满足使用要求。所统计铸件经检验，其表面质量、内部质量均符合相关技术条件的要求。铸件经过数次加工及相关试车试验，其强度、韧性及其使用性能均满足使用要求。

由于TA31材料具有高强、高韧、可焊及耐蚀等综合性能.其冲击韧度明显优于ZTC4合金[4]，是一种理想的舰船钛合金材料。而该合金铸件综合性能良好，相对于锻造工艺，铸造钛合金属于近净成形，使产品结构更具多元化、成本更低且提高了生产效率.故具有更广阔的应用前景。

4、结论

(1)TA31钛合金铸造工艺性良好，生产的铸件化学成分满足GB/T3620.1-2016要求。

(2) 不同状态的TA31铸造钛合金材料均具有良好的综合力学性能，批量生产的TA31铸件经热等静压处理后，其抗拉强度≥877 MPa,屈服强度≥754MPa,伸长率≥10.5%,断面收缩率≥14%。

(3) 采用TA31材料生产的结构铸件经检验及试车质量合格，满足技术条件和使用要求。

参考文献

[1]蒋鹏.孟宪亮，刘茵琪.等.Ti80合金锻造工艺对显微组织和性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2005.34(3)： 286-288.

[2]陈军.赵永庆，常辉.中国船用钛合金的研究和发展[J].材料导报，2005(6)； 67-70.

[3]马凡蛟.杜予晅，陈海生，等.退火工艺对Ti80合金组织与性能的影响[J].金属热处理，2012,37(4)： 88-91.

[4]张帆，张宝昌，何明，等.循环热处理对T1-6A1-4V合金铸件粗大魏氏体细化作用的研究[J].金属学报.1987,23(5)： 362-368.

[5]陈红，刘宏宇，苏贵桥，等.ZTA15铸造钛合金材料的性能与应用[J].铸造，2007,56(6)： 645-647.

[6]孟祥军.陈春和，余巍.等.几种海洋工程用钛合金及其应用[J].中国造船,2004,45： 38-40.