锻造温度对船舶制造用TA5径向锻造钛棒材组织及性能的影响

随着近年国家海洋资源开发及对外贸易日趋高涨，较好的抗海水腐蚀的机械装置、舰船材料就特别需要，尤其是深海海水的强大压力，需要设备结构强度高，否则会出现失效。而钛合金具有比强度高、比韧性好、耐海水腐蚀等一系列优点，是一种较为优异的海洋工程材料，在军用和民用设备上表现出较为良好的性能[1-2]。

TA5是一种全α型钛合金，属于中强合金，合金塑性较差，在初始热加工阶段极易产生开裂现象。但该合金具有优良的焊接性及耐腐蚀性，也是一种较为理想的海水环境下的结构材料，已被广泛应用于船舶制造业的各类机械部件[3-5]。由于该合金为全α型钛合金，热处理工艺对改善合金塑性不明显，同时国内船用合金近年来用量才逐步增加，所以，关于这方面的研究文献较少。因此，研究温度对径向锻造棒材的组织和性能的影响尤为必要和迫切。

1、试验材料及方法

1.1试验材料

试验铸锭选用优质的0级小颗粒海绵钛、铝豆、确粉和钛铁合金，主元素按照中偏上配料，氧元素按照0.08wt%配料。采用OAS自动混布料系统混料，分三次布料，然后进行电极压制，经过三次VAR真空自耗电弧熔炼，保证真空度1Pa以下。最终制成2t直径500mm的TA5铸锭，化学成分的标准值及实测值见表1。采用金相法测试其相变点为（995+5）℃。

1.2试验方法

本文锻造的TA5棒材主要分为两个阶段：第一阶段采用16MN快锻机进行开坏和中间锻造，经过多火次敏拔锻造，最后锻造成φ120mm径向锻造坏料：第二阶段是两次径向锻造，第一次径向锻造加热温度970℃，保温60min，从φ120mm的棒材经过多道次径向锻造至φ70mm，第二次径向锻造至φ46mm，分别设计了四种加热方案，具体方案见表2。方案12.3均一次径向锻造完成后，冷却至室温后，再进行第二次加热锻造，锻后空冷：方案4为第一次径向锻造完成后，直接进行第二次加热锻造，锻后空冷。锻造设备采用16MN快速液压锻造机和SXP-13径向锻造机。加热设备为3级精度要求的箱式电阻炉。热处理设备为2级精度的箱式电阻炉。

四种工艺下锻造后的棒材经过700℃，60min再结晶退火后，空冷，然后在棒材1/2半径处切取样坏，按照GB/T228《金属材料室温拉伸试验法》标准加工试样，并进行拉伸试验，拉伸试样标距部分直径φ5mm、长25mm。按照GB/T5168《α-β钛合金高低倍组织检验方法》标准要求进行制样及微观组织检测。冲击试样采用标准V形缺口试样。采用INSTRON4505万能试验机测定所取试样的拉伸性能，LeicaMM-6金相显微镜观察材料的显微组织，按照GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》进行无损检测。

2、试验结果与讨论

2.1不同工艺对棒材组织的影响

图1是TA5钛合金二次径向锻后棒材的显微组织，其均是两相区加工组织。由图1（a）、（b）可以看出，两次加热温度均在相变点以下的显微组织是较为均匀细小的等轴α组织，初生α尺寸基本小于45um。但从二次径向锻造温度为1010℃的图1（c）、（d）两张图则明显可以看出，图中有很少的等轴α，局部区域有块状和条状α。

从图中也可以看到，图1（d）中晶粒细化程度要好于图1（C）的，由于热回炉高温区加热时间相对要短，钛台金在相变点以上加热晶粒会急剧长大。所以要得到均匀细小的等轴组织，成品锻造温度最好选择在相变点以下。

2.2不同工艺对棒材拉伸性能的影响

从表3中测试数值可以明显看出，在两相区锻造的工艺1和2，工艺1的强度明显要高于工艺2约40MPa，且满足技术协议中屈服强度要求，工艺2未达到要求。工艺2的伸长率明显高于工艺1。由此可以看出，细小的晶粒对钛合金的强度具有较好的贡献作用，要得到较稳定的性能就需要具有较为均匀的组织。

但从四种工艺得到的室温性能分析，只有工艺3和4，满足技术协议要求。工艺1和2，伸长率明显低于要求，且工艺2屈服强度也不合格。而工艺4和3相比，抗拉强度要高出9% 左右、屈服强度高出6% 左右，但两种工艺的伸长率却相差将近10%。四种工艺只有工艺3和4,完全满足技术协议要求。

同时分析四种工艺得到的室温拉伸性能数据，可以看出工艺2、3、4,得到的测试数值稳定性要好于工艺1。结合图1和表3对比分析，高温锻造得到的钛合金棒材组织稳定性和性能稳定性要好。

2.3不同工艺对棒材冲击性能的影响

表4为TA5钛合金室温冲击韧性的测试值及平均值。冲击韧性平均值符台技术协议要求的只有工艺2、3、4，但工艺2中测试值中最小值为42.7J/cm²，远小于协议要求的53J/cm²，未能满足技术协议要求；工艺4的冲击韧性最高平均值达到62.3J/cm²，高出要求6% 。工艺3的冲击韧性平均值58.8J/cm²略高于技术协议要求的58.5J/cm²。从表4中的数据分析可知，只有工艺3和4得到的棒材室温冲击韧性完全达到技术协议要求。

结合图1中显微组织分析可知，图1（c）、（d)中的初生α含量要明显少于图1（a)、（b),初生α含量的减少，使得裂纹萌生源减少，条状α和初生α交错在一起，将会不断改变裂纹扩展方向，从而使裂纹路径更加曲折，因而冲击韧性好[6-7]。这也与表4中冲击韧性数值变化基本一致。

2.4不同工艺对棒材探伤的影响

材料组织对杂波水平的影响是显而易见的，采用超声波无损检测的方式，从杂波的高低就可以判断出材料组织均匀性。因为声波在棒材探伤时，棒材中间存在障碍物时，将会影响波形，而在均匀介质中传播不会产生反射，就不会出现杂波。图2为四种工艺方案得到的棒材探伤波形图（1.2mm平底孔，2.5MHz探头检测）。由图2中显示的探伤波形图可以看出，四种工艺下棒材探伤均满足GB/T5193-2007标准中A1级探伤要求。

结合图2分析可知，图2（b）、（d）杂波相对低一些，杂波高度基本在10% 左右，且波形起伏平稳；图2（C）中的杂波高度基本在10% ～20% ，波形中有两个波峰；而图2（a）中显示的杂波最高，达到30% 左右，且波形起伏变动比较大。从四种工艺分析，只有工艺1的二次加热温度最低，其它工艺加热要比工艺1的高30～70℃。同时结合图1显微组织看，四种工艺下棒材组织均为等轴组织，均匀性相对好一些的是图1（b）、（d）。由此可得，相同组织下，均匀性好的材料探伤杂波水平要低一些。

3、 结论

（1）TA 5钛合金棒材径向锻造，提高锻造温度有利于提高TA5钛合金棒材的组织均匀性,也降低了初生α含量，有利于提高室温冲击韧性。近β区锻造有利于提高TA5钛台金棒材室温拉伸强度、伸长率及冲击韧性。

（2）组织相对较为均匀的钛合金棒材，探伤杂波水平会低一些。

参考文献：

[1]赵永庆，我国创新研制的主要船用钛合金及其应用[]，中国材料进展20147）：398-404

[2]沈立华，朱宝辉，马超，等，热处理工艺对TA5钛合金棒材显微组织及性能的影响[]．钛工业进展，2014(2）:20-23.

[3] 稀有金属材料加工手册[M].北京：冶金工业出版社,985:49-87.

[4]廖强，谢文龙，曲恒磊，等.热轧温度对TA5-A钛合金板材组织及拉伸性能的影响[].热加工工艺012,41(16):50-52.

[5]黄先明，谢文龙，王瑞琴，等，海洋工程用TA5-A钛合金中厚板材研究[.热加工工艺,2017,46(5):163-165.

[6]周义刚，曾卫东，李晓芹，等．钛合金高温形变强韧化机理金属学报，1999,3（1):45-48.

[7]都海刚，檀雯，岳旭，等，退火温度对TC4钛合金薄壁环材冲击韧性的影响[]，科技创新与应用，2017（20):62-63.

[8]李华，马英杰，邱建科等.TC4钛合金显微组织对超声波探伤杂波水平的影响[]．稀有金属材料与工程，2013.42(9):1859-1863.

[9]董长升，韩泽龙，赵喜明，等．航空叶片用TC11合金棒材显微组织对超声波探伤杂波水平的影响．金属学报，2002,38（Z1）:667-66