Ti80 鈦合金是我國自行研制的 875 MPa 級耐蝕可焊 α-β 型結(jié)構(gòu)鈦合金，其名義成分為 Ti-6Al-3Nb- 2Zr-1Mo，在國標(biāo)中對應(yīng)的牌號為 TA31。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 分析和評價，以推進(jìn) Ti80 鈦合金材料在海洋工程 領(lǐng)域的應(yīng)用。

1、實驗材料

實驗材料為西部超導(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 11000 kg，鑄錠實物圖如圖 1 所示，采用金相法測得其相變點(diǎn)為 995 ～1000 ℃。鑄錠經(jīng) 80 MN 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)以下多次鐓拔變形，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，最后，將坯料在 α-β 兩相區(qū)鍛造成 340 mm × 1800 mm × 2700 mm 的鍛 坯，鍛坯單重超過 7500 kg，鍛坯實物圖如圖 2 所示。

圖 1 Ti80 鈦合金鑄錠實物圖

圖 2 Ti80 鈦合金鍛坯實物圖

2、實驗儀器及方法 

在鍛坯頭部和尾部分別取 340 mm × 1750 mm ×25 mm 的試樣片進(jìn)行熱處理，熱處理制度為 965 ℃ / 2 h，冷卻方式為空冷。熱處理后進(jìn)行低倍組織觀察， 同時，在低倍試樣的不同部位取 15 mm × 15 mm × 25 mm的金相試樣，金相試樣取樣位置如圖 3 所示。采用配比為 HF∶ HNO3 ∶ H20 = 1 ∶ 3 ∶ 5 的腐蝕液腐蝕后，使用 OLYMPUS 立式金相顯微鏡對顯微組織進(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，按照 GB /T 229— 2007進(jìn)行室溫沖擊性能檢測，其中，沖擊試樣規(guī) 格為55 mm × 10 mm × 10 mm，加工成 45° × 2 mm 的 V 型缺口試樣。利用 ZWICK/150 萬能拉伸實驗機(jī)進(jìn) 行室溫拉伸性能測試，利用 ZWICK/BＲA 擺錘沖擊 實驗機(jī)進(jìn)行沖擊性能檢測。

圖 3 金相試樣取樣示意圖

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 個部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，成分檢測結(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 O 的極差可以控制在 80 ppm，表明鑄錠整體成分均勻性良好。

表 1 Ti80 鈦合金的化學(xué)成分 ( %，質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3. 2 鍛坯性能穩(wěn)定性 

Ti80 鈦合金鍛坯的拉伸性能和沖擊性能檢測結(jié)果如圖 4 和圖 5 所示，不同位置、不同方向的抗拉強(qiáng)度 Ｒm 和屈服強(qiáng)度 Ｒp0. 2偏差分別為 6 MPa，伸長率 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 5 J，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。

圖 4 Ti80 鈦合金鍛坯的拉伸性能

圖 5 Ti80 鈦合金鍛坯的沖擊性能

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 β 基體上分布著初生的 等軸和拉長 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)公司率先在國內(nèi)實現(xiàn)了 Φ1020 mm、 單重超過 11000 kg 超大規(guī)格的 Ti80 鈦合金鑄錠熔煉 及單重 7500 kg 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 1000 ppm 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。

圖 6 Ti80 鈦合金鍛坯的低倍組織 ( a) 頭部 ( b) 尾部

圖7 不同位置的 Ti80 鈦合金鍛坯的顯微組織 ( a) 表層 1 ( b) 表層 2 ( c) 表層 3 ( d) 1 /2 厚度 1 ( e) 1 /2 厚度 2 ( f) 1 /2 厚度

參考文獻(xiàn): 

［1］ 趙永慶． 我國創(chuàng)新研制的主要船用鈦合金及其應(yīng)用 ［J］． 中 國材料進(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． 中國船用鈦合金的研究和發(fā)展 ［J］． 材料導(dǎo)報，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 Ti-6Al-3Nb- 2Zr-1Mo 合金板材顯微組織和性能的影響 ［J］． 中國有色金 屬學(xué)報，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］ 羅錦華，朱艷麗，孫小平，等． 熱加工及熱處理工藝對 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 heat treatment 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，儲俊鵬，等． 熱處理工藝對 TA15 鈦合金 沖擊性能的影響 ［J］． 稀有金屬，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］ 張奕，庾高峰，杜予咺，等． 鍛造工藝對 Ti-6321 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-6321 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 第 1 部分: 室溫 試驗方法 ［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 夏比擺錘沖擊試驗方法 ［S］． GB/T 229—2007，Metallic materials—Charpy pendulum impact test method ［S］． 

［10］ 馬凡蛟，杜予咺，陳海生，等． 退火工藝對 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 treatment process on microstructure and properties of Ti80 alloy ［J］． Heat Treatment of Metals，2012，37 ( 4) : 119 － 122． ［

11］ 孫志杰，李士凱，王洋，等． 退火溫度對 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 treatment temperature 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 of microstructure and properties in thickness direction of Ti80 alloy medium 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 中組織演變及其對沖擊韌性的影響 ［J］． 中國有色金屬學(xué) 報，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