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 875 MPa 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 Φ1020 mm，单重超过 11000 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 80 MN 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 340 mm × 1800 mm × 2700 mm 的锻 坯，锻坯单重超过 7500 kg，锻坯实物图如图 2 所示。

图 1 Ti80 钛合金铸锭实物图

图 2 Ti80 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 340 mm × 1750 mm ×25 mm 的试样片进行热处理，热处理制度为 965 ℃ / 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 × 25 mm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 /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55 mm × 10 mm × 10 mm，加工成 45° × 2 mm 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 400 ppm，杂 质元素 O 的极差可以控制在 80 ppm，表明铸锭整体成分均匀性良好。

表 1 Ti80 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 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 5 J，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 4 Ti80 钛合金锻坯的拉伸性能

图 5 Ti80 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 Φ1020 mm、 单重超过 11000 kg 超大规格的 Ti80 钛合金铸锭熔炼 及单重 7500 kg 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 1000 ppm 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 6 Ti80 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

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 ［J］． 中 国材料进展，2014，33 ( 7) : 398 － 404． Zhao Y Q． The new main titanium alloys used for shipbuilding de- veloped in China and their applications ［J］． Materials China， 2014，33 ( 7) : 398 － 404．

［2］ 陈军，赵永庆，常辉，等． 中国船用钛合金的研究和发展 ［J］． 材料导报，2005，19 ( 6) : 67 － 70． Chen J，Zhao Y Q，Chang H，et al． Ｒesearch and development of titanium alloy for shipbuilding in China ［J］． Materials Ｒeports， 2005，19 ( 6) : 67 － 70． 

［3］ 曹福辛． 载人潜水器材料技术发展现状 ［J］． 中国材料进展， 2011，30 ( 6) : 33 － 36． Cao F X． Development of materials for manned deep-ocean sub- mersible ［J］． Materials China，2011，30 ( 6) : 33 － 36．

［4］ 文志刚，王韦琪，王小翔，等． 热处理温度 对 Ti-6Al-3Nb- 2Zr-1Mo 合金板材显微组织和性能的影响 ［J］． 中国有色金 属学报，2010，20 ( 1) : 647 － 649． Wen Z G，Wang W Q，Wang X X，et al． Effect of heat treatment temperature on microstructure and properties of Ti-6Al-3Nb-2Zr- 1Mo plate ［J］． The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010， 20 ( 1) : 647 － 649．

［5］ 罗锦华，朱艳丽，孙小平，等． 热加工及热处理工艺对 Ti80 合金棒材组织和性能的影响 ［J］． 钛 工 业 进 展，2016，33 ( 2) : 20 － 24．Luo J H，Zhu Y L，Sun X P，et al． Effect of hot working and heat treatment process on microstructure and properties of Ti80 alloy bar ［J］． Titanium Industry Progress，2016，33 ( 2) : 20 － 24．

［6］ 沙爱学，李兴无，储俊鹏，等． 热处理工艺对 TA15 钛合金 冲击性能的影响 ［J］． 稀有金属，2006，30 ( 1) : 26 － 29． Sha A X，Li X W，Chu J P，et al． Effect of heat treatment process on impact properties of TA15 titanium ［J］． Chinese Journal of Ｒare Metals，2006，30 ( 1) : 26 － 29．

［7］ 张奕，庾高峰，杜予咺，等． 锻造工艺对 Ti-6321 合金棒材 显微组织与力学性能的影响 ［J］． 钛 工 业 进 展，2010，27 ( 6) : 34 － 35． Zhang Y，Yu G F，Du Y X，et al． Effect of forge process on mi- crostructure and properties of Ti-6321 alloy bar ［J］． Titanium In- dustry Progress，2010，27 ( 6) : 34 － 35． 

［8］ GB/T 228. 1—2010，金属材料 拉伸试验 第 1 部分: 室温 试验方法 ［S］． GB/T 228. 1—2010，Metallic materials—Tensile testing—Part 1: Method of test at room temperature ［S］． 

［9］ GB/T 229—2007，金属材料 夏比摆锤冲击试验方法 ［S］． GB/T 229—2007，Metallic materials—Charpy pendulum impact test method ［S］． 

［10］ 马凡蛟，杜予咺，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) : 119 － 122． Ma F J，Du Y X，Chen H S，et al． Effect of annealing treatment process on microstructure and properties of Ti80 alloy ［J］． Heat Treatment of Metals，2012，37 ( 4) : 119 － 122． ［

11］ 孙志杰，李士凯，王洋，等． 退火温度对 Ti80 合金组织及力 学性能的影 响 ［J］． 热 加 工 工 艺，2019，48 ( 10 ) : 189 － 192． Sun Z J，Li S K，Wang Y，et al． Effect of annealing treatment temperature on microstructure and properties of Ti80 alloy ［J］． Hot Working Technology，2019，48 ( 10) : 189 － 192． 

［12］ 郝晓博，李渤渤，刘茵琪，等． Ti80 合金中厚板沿厚度方向 组织与性能的不均匀分布 ［J］． 金属热处理，2019，44 ( 2) : 50 － 53． Hao X B，Li B B，Liu Y Q，et al． Inhomogeneity distribution of microstructure and properties in thickness direction of Ti80 alloy medium plate ［J］． Heat Treatment of Metals，2019，44 ( 2) : 50 － 53． 

［13］ 杨治军，郭爱红，吴义舟，等． Ti6321 钛合金退火处理过程 中组织演变及其对冲击韧性的影响 ［J］． 中国有色金属学 报，2013，23 ( 7) : 512 － 516． Yang Z J，Guo A H，Wu Y Z，et al． Microstructure evolution of Ti6321 titanium alloy during annealing treatment and its effect on impact toughness ［J］． The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2013，23 ( 7) : 512 － 516