海洋工程用超大规格Ti80钛合金锻件锻坯化学成分与力学性能

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 [1 - 3] 。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φ1020 mm, 单重超过 1000 kg, 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 ， 在相变点以下多次徹拔变形 ， 进一步细化晶粒 ， 最后 ， 将坯料在α+β两相区锻造成 340mm×1800 mm×2700mm的锻坯 ， 锻坯单重超过 7500 kg, 锻坯实物图如图 2所示 。

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 T/2 h, 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15 mm×15 mm×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：:HN0O3:H2O = 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/T 228.1 —2010进行室温拉伸性能检测 ， 按照 GB/T 229-2007 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/15 0 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。

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 400 ppm, 杂质元素 0 的极差可以控制在 80 ppm, 表明铸锭整体成分均匀性良好。

3.2 锻坯性能稳定性

Ti80钛合金锻件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心和屈服强度尺妙2偏差分别为 6 MPa, 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 。

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 。

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