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 。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Φ1020mm,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 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 340mm × 1800mm × 2700mm 的锻坯,锻坯单重超过 7500kg
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 ℃ / 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15mm×15mm ×25mm的金相试样,金相试样取样位置所示。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 /T228. 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/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。
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400ppm,杂质元素 O的极差可以控制在80ppm,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% ,冲击力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所示,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。
Ti80钛合金锻坯不同位置的横向显微组织照片。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。
图 7 不同位置的 Ti80 钛合金锻坯的显微组织
4 结论
(1) 西部超导公司率先在国内实现了Φ1020 mm、 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。