船舶制造用TA31鑄造鈦合金材料的組織與性能

TA31合金具有高強、高韌、可焊及耐蝕等綜合性能，是我國自行研制的875 MPa級結構鈦合金。與TC4合金相比，綜合性能更優，主要應用于船用的受力結構件、螺栓、軸以及耐壓殼體等[1-2]。TA31合金是一種近α型鈦合金，名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo,通過α穩定元素A1的固溶強化，并加入少量的中性元素Zr和Nb強化合金。

目前，有關TA31合金的熱加工行為主要體現在鍛造組織及性能研究，其在鑄造領域應用的相關研究報道較少。近期研究表明，采用TA31鈦合金澆注的結構鑄件，經工程實踐，其強度、韌性及使用性能均滿足要求。

本課題主要探討了 TA31合金的鑄造工藝、金相組織、熱等靜壓及熱處理對力學性能的影響，以期對該材料的推廣應用提供參考。

1、試驗材料及方法

鑄件和附鑄試樣均采用石墨鑄型重力鑄造工藝生產。合金錠為經過2次熔煉的成分合格的TA31鑄錠，采用150 kg真空自耗型殼爐熔煉。合金錠用機加工或打磨去除表面氧化皮，之后采用手工鑄極氮弧焊將鈦錠和電極卡頭焊接在一起作為自耗電極，安裝在電極桿上。用專用卡具將經過除氣和預熱的石墨鑄型固定在離心轉盤上，并將真空自耗型殼爐抽至真空度≤4 Pa時進行熔煉澆注。附鑄試樣尺寸為φ16 mm × 140mm,熱處理后加工成標準拉伸試樣。在CMT5105微機控制萬能力學試驗機上進行拉伸試驗，采用Leica體視顯微鏡進行顯微組織觀察。

鑄件澆注成形后，為消除內部缺陷進行熱等靜壓處理。熱等靜壓溫度為920 ±10 C,就氣壓力為100?140 MPa,保溫時間為2-2.5 h,隨爐冷卻至300 °C以下出爐。退火工藝為真空下700+10 °C保溫2 h,隨爐冷卻至300 C以下出爐。

2、試驗結果及分析

2.1 TA31合金的化學成分

TA31鈦合金的強化機制和其他鈦合金一樣，通過α穩定元素A1等對六方α相進行固溶強化。在合金中加入中性元素Zr、Nb及β穩定元素M。,可以改善其工藝性.因此該合金既具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊性，又具有良好的塑性。

取澆注的TA31合金試樣進行化學成分檢測，結果見表1，其中1~3號試樣為本次試驗同爐試樣，批量統計為近兩年來鑄件化學成分統計結果。

2.2 TA31鑄造鈦合金在不同狀態下的組織

TA31合金在不同狀態下的組織見圖1。可以看出.TA31合金的金相組織在鑄造狀態下以針狀、條狀α相(白亮色區域)為主，存在少量β相(α相之間的暗色區域)，屬于典型的魏氏組織和網籃組織；退火態組織以針狀、條狀α相為主.存在少量β相，退火態組織與鑄態組織相近但相對鑄態組織更加均勻。經熱等靜壓(HIP)處理后，合金在α+β兩相區長時間保溫且高壓作用下，晶內的針狀或較細的α相組織發生粗化和部分碎斷，導致原鑄態組織中針狀α相消失，形成板條狀及少量的塊狀α相，晶界α相弱化并保留。

2.3 TA31鑄造合金在不同狀態下的力學性能

熱等靜壓處理溫度及退火溫度均低于β相的轉變溫度，其熱處理過程獲得的組織主要源于合金在熔煉澆注冷卻凝固時鑄造組織的遺傳。鈦合金從高溫緩慢冷卻時,α相自β相中呈針狀析出，并與β相保持嚴格的晶體學位向關系，反復的轉變并不能破壞這一位向關系及其長針形態，故鈦合金的魏氏組織具有頑強的遺傳性[4]，通過常規的熱處理很難改變其組織結構。一般認為不能通過熱處理對其強化，因此其供貨狀態通常為熱靜壓態或者退火態[5]。

TA31鑄造鈦合金同爐試樣在退火態和HIP狀態的力學性能見表2。表2中退火態及HIP態為同爐試樣，不同熱處理狀態；HIP態(批量)為近百爐次交付鑄件附鑄試樣統計結果；鍛造及鍛造+退火數據為目前行業內相關研究結果[1,3],可以看出，同爐試樣HIP態相對退火態強度稍低但塑性提高，其主要原因為TA31鑄造鈦合金經熱等靜壓后，使其微觀組織發生粗化、針狀α相消失，組織更加均勻穩定。

從表2還可發現,TA31鑄造合金的強度與鍛件性能相近，因此TA31合金具有良好的鑄造綜合力學性能，在某些領域可以替代鍛造產品。

3、TA31鈦合金在鑄造領域的應用

近年來，TA31鈦合金已經應用于鑄件的試制和生產，尤其在船舶和特種車輛等領域。該類鑄件產品交付狀態通常為熱等靜壓態。根據該合金批量鑄件產品附鑄試樣的化學成分及力學性能檢測統計.其化學成分均滿足標準要求，其力學性能均滿足使用要求。所統計鑄件經檢驗，其表面質量、內部質量均符合相關技術條件的要求。鑄件經過數次加工及相關試車試驗，其強度、韌性及其使用性能均滿足使用要求。

由于TA31材料具有高強、高韌、可焊及耐蝕等綜合性能.其沖擊韌度明顯優于ZTC4合金[4]，是一種理想的艦船鈦合金材料。而該合金鑄件綜合性能良好，相對于鍛造工藝，鑄造鈦合金屬于近凈成形，使產品結構更具多元化、成本更低且提高了生產效率.故具有更廣闊的應用前景。

4、結論

(1)TA31鈦合金鑄造工藝性良好，生產的鑄件化學成分滿足GB/T3620.1-2016要求。

(2) 不同狀態的TA31鑄造鈦合金材料均具有良好的綜合力學性能，批量生產的TA31鑄件經熱等靜壓處理后，其抗拉強度≥877 MPa,屈服強度≥754MPa,伸長率≥10.5%,斷面收縮率≥14%。

(3) 采用TA31材料生產的結構鑄件經檢驗及試車質量合格，滿足技術條件和使用要求。

參考文獻

[1]蔣鵬.孟憲亮，劉茵琪.等.Ti80合金鍛造工藝對顯微組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2005.34(3)： 286-288.

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[3]馬凡蛟.杜予晅，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)： 88-91.

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