Ti80鈦合金是我國(guó)自行研制的875MPa級(jí)耐蝕可焊α+β型結(jié)構(gòu)鈦合金 ， 其名義成分為 Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo, 在國(guó)標(biāo)中對(duì)應(yīng)的牌號(hào)為 TA31 [1 - 3] 。其由于優(yōu)異的沖擊韌性 、 斷裂韌性和耐蝕性能 ， 以及良好的焊接性能 ， 現(xiàn)已批量化應(yīng)用于潛艇和水中兵器的受力構(gòu)件 、 螺栓 、 軸以及耐壓殼體等 ， 在船舶 、石油 、 化工 、 機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文首次開展了海洋工程用超大規(guī)格Ti80 鈦合金鍛坯的工程化制備研究 ， 對(duì)所研制的超大規(guī) 格鍛坯在不同位置 、 不同方向的組織和性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià) ， 以推進(jìn) Ti80 鈦合金材料在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用 。

1、實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉的Ti80鈦合金鑄錠 。 鑄錠規(guī)格為φ1020 mm, 單重超過 1000 kg, 鑄錠實(shí)物圖如圖1所示 ， 采用金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為 995 ~1000℃ 。 鑄錠經(jīng)80MN快鍛機(jī)在相變點(diǎn)以上開坯鍛造 ， 充分破碎鑄態(tài)組織后 ， 在相變點(diǎn)以下多次徹拔變形 ， 進(jìn)一步細(xì)化晶粒 ， 最后 ， 將坯料在α+β兩相區(qū)鍛造成 340mm×1800 mm×2700mm的鍛坯 ， 鍛坯單重超過 7500 kg, 鍛坯實(shí)物圖如圖 2所示 。

2、實(shí)驗(yàn)儀器及方法

在鍛坯頭部和尾部分別取 340mm×1750mm×25mm的試樣片進(jìn)行熱處理 ， 熱處理制度為965 T/2 h, 冷卻方式為空冷 。 熱處理后進(jìn)行低倍組織觀察，同時(shí) ， 在低倍試樣的不同部位取15 mm×15 mm×25mm 的金相試樣 ， 金相試樣取樣位置如圖3所示。

采用配比為 HF：:HN0O3:H2O = 1:3:5的腐蝕液腐蝕后， 使用 OLYMPUS 立式金相顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察分析 。 在表層和 1/2 厚度處分別按照 LT （ 橫向 ） 和 ST （ 縱向 ） 方向取樣 ， 按照 GB/T 228.1 —2010進(jìn)行室溫拉伸性能檢測(cè) ， 按照 GB/T 229-2007 進(jìn)行室溫沖擊性能檢測(cè) ， 其中 ， 沖擊試樣規(guī)格為 55mm ×10mm×10mm , 加工成 45°×2mm 的V 型缺口試樣 。 利用 ZWICK/15 0 萬能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試 ， 利用 ZWICK/BRA 擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊性能檢測(cè)。

3 、結(jié)果與討論

3.1 鑄錠成分均勻性

在鑄錠的頭部 、 中部 、 尾部 3 個(gè)部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析 ， 成分檢測(cè)結(jié)果如表 1 所示。 由表 1可以看出 ， Ti80鈦合金鑄錠的主元素 Al 、 Nb 、 Zr和 Mo 的極差分別為 900 、 400 、 300 和 400 ppm, 雜質(zhì)元素 0 的極差可以控制在 80 ppm, 表明鑄錠整體成分均勻性良好。

3.2 鍛坯性能穩(wěn)定性

Ti80鈦合金鍛件鍛坯的拉伸性能和沖擊性能檢測(cè)結(jié)果如圖 4 和圖 5 所示 ， 不同位置 、 不同方向的抗拉強(qiáng)度心和屈服強(qiáng)度尺妙2偏差分別為 6 MPa, 伸長(zhǎng)率A 的偏差為 2%, 斷面收縮率 Z 的偏差為 4%, 沖擊功 Kv2的偏差為5J, 表明 Ti80 鈦合金鍛坯不同位置 、不同方向的力學(xué)性能差異很小 ， 具有良好的性能穩(wěn)定性 。

3.3 鍛坯組織均勻性

Ti80鈦合金鍛坯頭部和尾部的低倍組織如圖6所示 ， 由圖 6 可以看出 ， 鍛坯頭部和尾部的低倍組織均勻一致 ， 均為均勻的模糊晶組織 。

圖 7 為 Ti80 鈦合金鍛坯不同位置的橫向顯微組織照片 。 由圖 7 可以看出 ， 鍛坯熱處理后不同位置的顯微組織基本一致 ， 均為球狀初生α + 片層次生α組成的雙態(tài)組織 ， 在轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w上分布著初生的等軸和拉長(zhǎng)α相 ， 不同位置組織均勻性良好 。 均勻分布的片層α相可以有效保證合金具有良好的沖擊韌性 。

4、結(jié)論

( 1 ) 西部超導(dǎo)公司率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了φ1020mm 、單重超過11000kg 超大規(guī)格的Ti80鈦合金鑄錠熔煉及單重7500kg 超大規(guī)格的 Ti80 鈦合金鍛坯鍛造的能力 。

(2) Ti80 鈦合金鑄錠不同部位的成分均勻性良好 ， 各主元素極差均控制在1000ppm以內(nèi)。 

(3) Ti80 鈦合金鍛坯不同位置及方向的力學(xué)性能差異極小 ， 力學(xué)性能穩(wěn)定性良好 。 鍛坯不同位置的低倍組織和顯微組織均勻一致 ， 表明鍛坯具有良好的組織均勻性 。

參考文獻(xiàn) ：

[1] 趙永慶.我國(guó)創(chuàng)新研制的主要船用鈦合金及其應(yīng)用 [J]. 中國(guó)材料進(jìn)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] 陳軍 ， 趙永慶 ， 常輝 ， 等.中國(guó)船用鈦合金的研究和發(fā)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 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.載人潛水器材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 [J]. 中國(guó)材料進(jìn)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] 文志剛 ， 王韋琪 ， 王小翔 ， 等.熱處理溫度對(duì) Ti-6Al-3Nb-2Zr-lMo 合金板材顯微組織和性能的影響 [J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào) ， 2010, 20 (1) ： 647 - 649.

Wen Z G , Wang W Q, Wang X X , et al. Effect of heat treatmenttemperature on microstructure and properties of Ti-6Al-3Nb-2Zr-1 Mo plate [ J ] . The Chinese Journal of Nonferrous Metals , 2010 ,20 (1) ： 647 -649.

[5] 羅錦華 ， 朱艷麗 ， 孫小平 ， 等.熱加工及熱處理工藝對(duì) Ti80合金棒材組織和性能的影響 [J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展 ， 2016, 33(2) : 20-24.

Luo J H , Zhu Y L, Sun X P, et al. Effect of hot working and heattreatment process on microstructure and properties of Ti80 alloy bar[J]. Titanium Industry Progress, 2016, 33 (2) : 20 -24 .

[6] 沙愛學(xué) ， 李興無.儲(chǔ)俊鵬.等.熱處理工藝對(duì) TA15 鈦合金沖擊性能的影響 [J1- 稀有金屬 , 2006, 30 (1) ： 26-29.

Sha A X , Li X W, Chu J P, et al. Effect of heat treatment processon impact properties of TA15 titanium [ J ] . Chinese Journal ofRare Metals, 2006, 30 (1 ) ： 26 -29.

[7] 張奕 ， 庾高峰 ， 杜予晅 ， 等.鍛造工藝對(duì) Ti-632 1 合金棒材顯微組織與力學(xué)性能的影響 [J]. 鈦工業(yè)進(jìn)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-632 1 alloy bar [J 」 . Titanium In -dustry Progress , 2010, 27 (6) ： 34 -35.

[8] GB/T 228. 1-2010 ， 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第 1 部分 ： 室溫試驗(yàn)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, 金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法 [S].

GB/T 229 — 2007 , Metallic materials — Charpy pendulum impacttest method [ S] .

[10] 馬凡蛟 ， 杜予晅 ， 陳海生 ， 等.退火工藝對(duì) Ti80 合金組織與性能的影響 [J]. 金屬熱處理 ,2012, 37 (4) ； 119-122.

Ma F J, Du Y X , Chen H S, et al. Effect of annealing treatmentprocess on microstructure and properties of Ti80 alloy [ J ] . HeatTreatment of Metals, 2012, 37 (4) : 119 - 122.

[11] 孫志杰 ， 李士凱 ， 王洋 ， 等.退火溫度對(duì) Ti80 合金組織及力學(xué)性能的影響 [J]. 熱加工工藝 ， 2019, 48 ( 10) ： 189 -192.

Sun Z J, Li S K, Wang Y , et al. Effect of annealing treatmenttemperature on microstructure and properties of Ti80 alloy [J ,.Hot Working Technology, 2019 , 48 ( 10 ) ： 189 — 192.

[12] 郝曉博 ， 李渤渤 ， 劉茵琪 ， 等. Ti80 合金中厚板沿厚度方向組織與性能的不均勻分布 [J]. 金屬熱處理 ， 2019, 44 (2) ：50 -53.

Hao X B , Li B B, Liu Y Q , et al. Inhomogeneity distribution ofmicrostructure and properties in thickness direction of Ti80 alloymedium plate [J]. Heat Treatment of Metals , 2019 , 44 ( 2 ) ：

50 -53.

[13] 楊治軍 ， 郭愛紅 ， 吳義舟 ， 等. Ti6321 鈦合金退火處理過程中組織演變及其對(duì)沖擊韌性的影響 [J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào) ， 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 onimpact toughness [ J ] . The Chinese Journal of Nonferrous Metals ,2013, 23 (7) : 512 -516.