艦船用Ti70鈦板熱成型組織性能

鈦合金具有比強度高、韌性好、焊接性能好和耐腐蝕等眾多優(yōu)點，很好地滿足了艦船材料所需的主要特性，完全具備艦船材料所要求的耐蝕、耐久、牢固、可靠和穩(wěn)定等各種特殊性能要求[1]。因此，鈦合金被譽為“海洋金屬”，是海洋工程最有前途的金屬材料之一[2-3]。艦船往往體型較大，所需材料用量很大，鈦合金高昂的成本限制了其在艦船領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。中船725所與701所、寶雞鈦業(yè)股份有限公司合作研制了低成本的Ti70鈦合金，這種針對艦船應(yīng)用的鈦合金是在俄羅斯TA16的基礎(chǔ)上，通過添加廉價的Fe作為合金元素，調(diào)整Al、Zr含量，開發(fā)而成的近α中強鈦合金，為鈦合金在海洋領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供了有利條件。

Ti70研制之初就被定位為船用結(jié)構(gòu)材料，通常軋制為薄板作為結(jié)構(gòu)件的殼板使用[4-5]。隨后，經(jīng)過冷成型/熱成型、焊接和校型，得到最終產(chǎn)品。目前，雖然Ti70已經(jīng)得到規(guī)模化應(yīng)用，但是由于對其熱成型性能研究較少，導(dǎo)致成型曲面復(fù)雜程度受限，進而限制了Ti70的應(yīng)用。探究4mm厚Ti70板材的熱成型性能，結(jié)合組織演變規(guī)律對力學(xué)性能的影響，進而實現(xiàn)組織對力學(xué)性能的調(diào)控，擴大Ti70的應(yīng)用范圍及規(guī)模。

1、試驗材料及方法

試驗所用4mm厚Ti70鈦板材由雙瑞精鑄生產(chǎn)，采用交叉換向軋制方式在α+β兩相區(qū)經(jīng)過2個火次軋制而成，軋制后并進行成品退火熱處理。成分見表1。

鈦合金彈性模量大，成型后易反彈，通常需要熱成型，熱成型溫度與變形量成正比。為探究Ti70板材的熱成型性能，使用模具對Ti70板材進行中、高溫成型：650℃、850℃熱成型。利用ZEISSObserver.Zlm金相顯微鏡、SU8000掃描電鏡和JEM-2100透射電鏡對熱成型后板材的橫截面（TD-ND面，RD為縱向，TD為橫向，ND為法向）進行組織觀察。利用SINTECH20/G材料試驗機對板材橫向試樣進行室溫拉伸性能檢測，室溫拉伸試驗按GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進行，采用P7試樣，每個位置取2個試樣，取平均值。利用ZBC2302-C擺錘式?jīng)_擊試驗機對板材縱向試樣進行低溫沖擊性能檢測，沖擊性能測試按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進行，試驗溫度-40℃，每組3個試樣，取平均值。

2、試驗結(jié)果及討論

2.1力學(xué)性能

原始Ti70軋制板材的抗拉強度（Rm）和屈服強度（RP0.2）分別為746MPa和677MPa，延伸率（δ）為22.5%，沖擊功KV2為12J。圖1為熱成型前后的力學(xué)性能，從圖1中可以看出，650℃熱成型后，屈服強度為556MPa，與原始軋板相比下降了18%，抗拉強度為708MPa，并未發(fā)生明顯下降，延伸率為19.5%，與原始軋板相比下降了13%，沖擊功為15J，與原始軋板相比增加了25%；850℃熱成型后，屈服強度為523MPa，與原始軋板相比下降了23%，抗拉強度為641MPa，與原始軋板相比下降了11%，延伸率為18.5%，與原始軋板相比下降了18%，但是沖擊功卻達到了53J，是原始軋板的4.4倍。隨著熱成型溫度的提高，大致呈現(xiàn)出強度下降、塑性上升的趨勢。強度與延伸率的下降很有可能是晶粒長大、加工硬化造成的，850℃熱成型后沖擊功的大幅增長可能是內(nèi)部微觀組織發(fā)生了較為明顯的改變。

2.2顯微組織

RD-TD面內(nèi)的組織狀況如圖2所示。650℃成型時，顯微組織是α相+β相，α相形狀不規(guī)則、尺寸不均勻，β相尺寸較小，點狀分布；850℃成型時，α相變得粗大，出現(xiàn)聯(lián)合長大現(xiàn)象，晶界斷斷續(xù)續(xù)，形狀變得規(guī)則，等軸度更高，β相明顯減少，除零星點狀分布外，局部出現(xiàn)明顯粗化且縱橫比較大的片狀β相。

TD-ND面內(nèi)的組織狀況如圖3所示。650℃成型時，軋板層間α相呈條狀分布，其中夾雜著點狀β相，并未明顯改變原始軋板的組織狀況[6-8]；850℃成型時，在板材內(nèi)部出現(xiàn)了等軸α相與片狀β相分層排布的狀況，初生α相發(fā)生了明顯的聯(lián)合長大現(xiàn)象，片狀β相方向不統(tǒng)一，組織明顯粗化。Ti70的相變點為940~955℃[7]，雖然850℃未達到相變點，但是在成型過程中，溫度和較大的變形量共同促進了α相向β相的轉(zhuǎn)化，可以清晰地看到部分α相仍處于向β相轉(zhuǎn)化的過程中（如虛線框內(nèi)所示），α相晶界清晰可見，內(nèi)部片狀β相已見雛形。

在透射電鏡下發(fā)現(xiàn)了更加細微的差別，如圖4所示。圖4（a）是沿α相晶帶軸看到的電子衍射花樣，圖4（b）是沿β相[001]晶帶軸看到的電子衍射花樣。650℃成型時，位錯主要集中在α相內(nèi)，β相內(nèi)位錯不明顯；850℃成型時，α相內(nèi)位錯明顯減少，β相內(nèi)部并伴隨有細層片狀次生α相的析出。

由于織構(gòu)的存在，以及軋制后冷卻過程中表層與內(nèi)部冷卻溫度及冷卻速率的不同，導(dǎo)致RD-TD面、TD-ND面組織的差異。650℃成型時，顯微組織是α相+點狀β相，平行于軋制方向的層內(nèi)α相近似等軸，尺寸不均勻，層間α相取向明顯，組織與原始軋板相比并未發(fā)生明顯改變。850℃成型后，組織變得粗大，晶體取向發(fā)生明顯變化，層內(nèi)、層間初生α相都是等軸狀，β相數(shù)量明顯增多、縱橫比變大及內(nèi)部有細層片狀次生α相析出。這種組織形貌直接決定了材料的性能。

1）晶粒尺寸變得粗大，等軸化程度也明顯改善，這在一定程度上降低了室溫強度，并使得塑性性能略有提高。

2）初生α相聯(lián)合長大后，晶界會變得斷斷續(xù)續(xù)，這種顯微形貌通常會使抗拉強度大幅降低，但會明顯改善材料的沖擊韌性[9]。

3）晶間β相可以減少初生α相內(nèi)部的應(yīng)力集中，減少裂紋的出現(xiàn)，裂紋產(chǎn)生后，晶界處縱橫比較大的β相導(dǎo)致裂紋擴展方向持續(xù)發(fā)生改變，裂紋擴展獲得了更多的延伸路徑，從而吸收了更多的裂紋擴展功能量，因此沖擊性能很高[10-13]。

4）β相中析出的細層片狀次生α相呈現(xiàn)出非常細密、相互交織和纏繞的形貌特征，這種組織形貌對鈦合金具有非常明顯的強化效果，可以阻滯和偏轉(zhuǎn)裂紋擴展途徑[10，12]。另外，β相轉(zhuǎn)變組織中片層狀α相的增厚可以明顯提升沖擊韌性性能。

3、結(jié)論

1）熱成型過程中，晶粒變得粗大導(dǎo)致強度下降，等軸程度得到提高，導(dǎo)致塑性得到一定程度的改善。

2）650℃成型時，顯微組織是α相+點狀β相，層內(nèi)α相等軸程度不高，層間α相保持原有取向，組織與原始軋板相比并未發(fā)生明顯改變，強度下降，塑性得到提高。

3）850℃熱成型時，組織明顯粗化，層內(nèi)、層間初生α相都是等軸狀，β相數(shù)量明顯增多、縱橫比變大及內(nèi)部有細層片狀次生α相析出。晶間縱橫比較大的β相、β相內(nèi)析出的細層片狀次生α相使得板材沖擊韌性大幅提高，沖擊功從12J變?yōu)?3J，達到了原始軋板的4.4倍。

參考文獻

[1]孟祥軍，時錦.漫談鈦合金在艦船上的應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進展，2003（Z1）：23-26.

[2]寧興龍.俄羅斯艦船用鈦[J].鈦工業(yè)進展，2003（6）：28-31.

[3]趙永慶，常輝，李佐臣，等.西北有色院創(chuàng)新研制的船用鈦合金[J].鈦工業(yè)發(fā)展，2003（6）：12-16.

[4]楊英麗，羅媛媛，趙恒章，等.我國艦船用鈦合金研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].稀有金屬材料與工程，2011，40（S2）：538-544.

[5]陳軍，毛小南，楊英麗.國內(nèi)外船用鈦合金及其應(yīng)用[C]//2014海洋材料腐蝕與防護大會，2014.

[6]郝曉博，劉茵琪，李渤渤，等.船舶用Ti70合金在人工海水中的腐蝕行為研究[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2019，31（1）：27-32.

[7]郝曉博，李渤渤，劉茵琪，等.Ti70合金板的組織與力學(xué)性能的各向異性[J].金屬熱處理，2020，45（8）：34-38.

[8]卜敏.Ti-70合金板材多點成形性能研究[C]//第十三屆全國鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會論文集，2008：280-282.

[9]JALA，MSLA，SIM，etal.InfluenceofheattreatmentandloadingdirectiononcompressivedeformationbehaviourofTi-6Al-4VELIfabricatedbypowderbedfusionadditivemanufacturing[J].MaterialsScienceandEngineering，2021，831：142258.

[10]陳海生，羅錦華，王文盛，等.Ti-6321鈦合金棒材熱變形及熱處理工藝[J].稀有金屬材料與工程，2016，45（11）：2948-2952.

[11]楊治軍，郭愛紅，吳義舟.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[C]//全國鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會，2013.

[12]WANGKX，ZENGWD，ZHAOYQ.FlowbehaviourandmicrostructuralevolutionofTi-17alloywithlamellarmicrostructureduringhotdeformationinα+βphasefield[J].MaterialsScienceandTechnology:MST：ApublicationoftheInstituteof醞藻賊葬造澤，圓園員員，圓苑（員）：圓1-28.

[13]張智鑫，李瑞鋒，龐洪，等.船用Ti-70鈦合金板材再結(jié)晶過程研究[C]//第十六屆全國鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會論文集，2016：934-937.