鍛造工藝對(duì)新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材組織及性能的影響

張業(yè)勤，齊立春，黃利軍，黃驛勝，張文強(qiáng)

鍛造工藝對(duì)新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材組織及性能的影響

張業(yè)勤，齊立春，黃利軍，黃驛勝，張文強(qiáng)

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

主要研究了三種不同鍛造工藝對(duì)新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材顯微組織及高溫力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金通過(guò)鍛造工藝1可獲得大量的網(wǎng)籃組織和部分等軸組織構(gòu)成的混合組織，室溫拉伸強(qiáng)度較低，與終鍛溫度不好控制，未能始終高于β有關(guān)。而鍛造工藝2和3通過(guò)在β下鍛造可獲得等軸組織，但鍛造工藝3比2多一個(gè)β以上和一個(gè)β以下變形，原始組織破碎更為充分，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶也更為充分，因而具有更為細(xì)化的微觀組織，這可能是鍛造工藝3比2的室溫拉伸強(qiáng)度稍高的原因。

新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金；鍛造工藝；顯微組織；力學(xué)性能

隨著海洋工程裝備[1]產(chǎn)業(yè)發(fā)展的逐步深入，特別是深海戰(zhàn)略的推進(jìn)，對(duì)材料提出了更高的要求。中國(guó)海洋工程裝備主要使用的鈦合金有Ti31、Ti75、Ti80、TC4[2]，主要應(yīng)用在船舶上。但海上采油的設(shè)備龐大，同時(shí)采油設(shè)備特別是深海的環(huán)境十分惡劣，開(kāi)采難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，海水腐蝕、浪涌、洋流環(huán)境、海洋渦激振動(dòng)和深水壓力等對(duì)材料要求苛刻，需要強(qiáng)度高、耐腐蝕加工性能好、無(wú)磁等綜合性能優(yōu)良的鈦合金材料制造海上石油平臺(tái)支柱、超深鉆井桿、鉆具撓軸、提升鉆具裝置、鉆探助推器等海洋工程裝備，目前常用的鈦合金已滿足不了裝備的發(fā)展要求，導(dǎo)致目前海洋工程裝備上采油系統(tǒng)、儲(chǔ)油系統(tǒng)和石油的初加工設(shè)備等完全依靠進(jìn)口，進(jìn)口率達(dá)到了70%～90%，因此材料問(wèn)題已經(jīng)成為制約海洋工程裝備國(guó)產(chǎn)化的瓶頸之一。

Ru是鉑族元素中最為經(jīng)濟(jì)的元素，在鈦合金中添加Ru可提高其耐腐蝕性能。早在20世紀(jì)90年代有報(bào)道稱美國(guó)采用Ti-6Al-4V-0.1Ru（Gr.29）鈦合金制造錐形應(yīng)力接頭、采油和輸出立管等[3]。Ti-Al-V-Ni-Nb-Ru是中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院研制的一種成形性好、成本低的新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金，室溫強(qiáng)度b≥900 MPa，3.5%NaCl水溶液室溫環(huán)境下斷裂韌性ISCC≥70 MPa·m1/2。為了盡快將新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金向海洋工程裝備推廣應(yīng)用，必須深入開(kāi)展新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金材料研制及應(yīng)用研究工作。而鍛造工藝對(duì)鈦合金組織及力學(xué)性能影響很大[4-6]，因此鍛造工藝對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重大的意義。本研究分析了三種不同鍛造工藝方案對(duì)組織及性能的影響，可為新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材工藝的制定提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院經(jīng)3次真空自耗電弧爐熔煉的新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金鑄錠。

1.2 試驗(yàn)方法

采用三種不同鍛造工藝對(duì)新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金進(jìn)行開(kāi)坯鍛造，三種工藝如圖1所示。三種鍛造工藝前三火次工藝完全相同，主要區(qū)別在于最后一火次的鍛造溫度及相變點(diǎn)以上及以下鍛造火次的數(shù)量。鍛造工藝1最后一火的鍛造溫度是β＋30 ℃，鍛造工藝2和3最后一火的鍛造溫度是β－30 ℃，而鍛造工藝3比鍛造工藝2多了一個(gè)β＋30 ℃以上和一個(gè)β－30 ℃以下鍛造火次。在對(duì)三種不同鍛造工藝研制的新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材，采用同樣的制度熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，并通過(guò)測(cè)試后的力學(xué)性能試樣開(kāi)展微觀組織分析，從而確定三種不同鍛造工藝對(duì)合金力學(xué)性能及微觀組織的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同鍛造工藝對(duì)新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材微觀組織的影響

三種不同鍛造工藝下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材500倍下的光學(xué)顯微組織照片如圖2所示。由圖2（a）可以看出，新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金在鍛造工藝1條件下，形成的微觀組織為網(wǎng)籃組織和等軸組織的混合組織，以網(wǎng)籃組織為主。由于等軸組織的形成一般與β溫度之下加熱和塑性變形有關(guān)，因此在鍛造過(guò)程中鍛造工藝1未獲得嚴(yán)格執(zhí)行，終鍛溫度未始終高于合金的β相變點(diǎn)β。由圖2（b）和2（c）可以看出，在鍛造工藝2和3條件下形成的微觀組織為細(xì)小均勻的等軸組織，這是鍛造工藝2和3是在β下進(jìn)行的，通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成大量的等軸α相。

圖2 三種不同鍛造工藝下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材的500倍光學(xué)顯微組織

鍛造工藝1下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材的SEM照片如圖3所示，圖3（a）為網(wǎng)籃組織，圖3（b）為等軸組織，其中深色的板條狀組織和等軸組織為α相，淺色區(qū)域?yàn)棣孪?。鍛造工?下的SEM組織形態(tài)如圖4所示，主要為等軸α相并可見(jiàn)少量板條α相。鍛造工藝3下的SEM組織形態(tài)如圖5所示，主要為等軸α相和不規(guī)則分布的β轉(zhuǎn)變組織，同時(shí)還可以清晰地看出β轉(zhuǎn)變組織中的針狀α相。

圖5 鍛造工藝3下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材SEM照片

鍛造工藝2和3下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材高分辨率SEM照片如圖6所示。

圖6 鍛造工藝2和3下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材β轉(zhuǎn)變組織高分辨SEM照片

通過(guò)圖6可以看出盡管二者具有相似的微觀組織形態(tài)，但是鍛造工藝3具有更細(xì)化的微觀組織，具有更細(xì)小的初生α相，β轉(zhuǎn)變組織中的次生α相也更為細(xì)小。這是因?yàn)殄懺旃に?比鍛造工藝2多經(jīng)過(guò)一個(gè)相變點(diǎn)以上和一個(gè)相變點(diǎn)以下火次的變形，所以原始組織破碎更為充分，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶也更為充分。

2.2 不同鍛造工藝對(duì)新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材力學(xué)性能的影響

三種不同鍛造工藝生產(chǎn)的新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，三種鍛造工藝下鍛造工藝2和鍛造工藝3新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材的強(qiáng)度明顯高于鍛造工藝1，這可能是由于鍛造工藝1未嚴(yán)格得到執(zhí)行，導(dǎo)致終鍛溫度低于β，導(dǎo)致顯微組織不僅有網(wǎng)籃組織還出現(xiàn)了等軸組織的原因。而鍛造工藝3比鍛造工藝2的強(qiáng)度稍高，這可能是由于鍛造工藝2和鍛造工藝3微觀組織相近，但鍛造工藝3比鍛造工藝2具有更細(xì)化的微觀組織的原因。三種鍛造工藝下鍛造工藝2和3的塑性相當(dāng)，稍好于鍛造工藝1，這是由于等軸組織的塑性要好于網(wǎng)籃組織的原因。

表1 三種鍛造工藝下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材力學(xué)性能

鍛造工藝σb/MPaσ0.2/MPaδ/（%）Ψ/（%） 191884716.039.3 92285616.441.8 293886316.752.7 93785616.450.3 394086116.449.7 94787716.252.8

2.3 不同鍛造工藝新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材的X光衍射譜分析

三種鍛造工藝下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金的X光衍射譜如圖7所示。由此圖可以看出，與鍛造工藝2和3相比，鍛造工藝1下的微觀組織中含有較多的β相，這顯然與合金的鍛造工藝有關(guān)。當(dāng)鍛造溫度高于合金的β轉(zhuǎn)變溫度（β）時(shí)，β相區(qū)鍛造之后的冷卻過(guò)程可以保留較多的殘余β相到室溫；而低于合金的β下鍛造，β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵ù紊料啵⒈容^充分，從而保留較少的殘余β相到室溫，這是鍛造工藝1含有較多β相的主要原因。相比之下，鍛造工藝2和3具有非常類似的X光衍射譜，這表明二者具有相似的α相和β相含量，且含有大量的初生α相及次生α相，而殘余β相含量較少。結(jié)合光學(xué)顯微組織和SEM分析，X光衍射分析的結(jié)果與微觀組織分析的結(jié)果相一致。

2.4 不同鍛造工藝新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材的拉伸斷口分析

對(duì)三種不同鍛造工藝新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材拉伸試樣的斷口進(jìn)行了分析表征，圖8、圖9和圖10分別給出了三種鍛造工藝下拉伸試樣斷口的SEM圖。由此可以看出，三種鍛造工藝樣品的拉伸試樣的斷口呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征，與三種鍛造工藝TC4-Ru合金拉伸試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果一致。

圖7 三種鍛造工藝下的X光衍射譜

圖8 鍛造工藝1下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材拉伸斷口的SEM圖

圖9 鍛造工藝2下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材拉伸斷口的SEM圖

圖10 鍛造工藝3下新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材拉伸斷口的SEM圖

3 結(jié)論

鍛造工藝對(duì)新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金的微觀組織具有顯著影響。在鍛造工藝1條件下合金微觀組織由大量的網(wǎng)籃組織和部分等軸組織構(gòu)成，這種混合組織的形成可能是由于在相變點(diǎn)附近鍛造時(shí)終鍛溫度不易控制，容易造成終鍛溫度低于β溫度。而在鍛造工藝2和3條件下，合金的微觀組織為大量的等軸組織，這種微觀組織是在鍛造溫度低于β溫度下形成的。但由于鍛造工藝3比鍛造工藝2多經(jīng)過(guò)一個(gè)相變點(diǎn)以上和一個(gè)相變點(diǎn)以下火次的變形，鍛造工藝3比2的微觀組織更細(xì)化。

與鍛造工藝2和3相比，鍛造工藝1下合金微觀組織中含有較多的β相。這是由于鍛造工藝1鍛造溫度高于β，初生α相析出被抑制，因此從單相β區(qū)冷卻到室溫可獲得較多的殘余β相。而鍛造工藝2和3在β溫度之下鍛造使得β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵ù紊料啵┍容^充分，從而保留較少的殘余β相到室溫。

三種鍛造工藝條件下，新型中強(qiáng)耐腐蝕鈦合金棒材鍛造工藝2和3的強(qiáng)度明顯高于鍛造工藝1，而延伸率和收縮率基本相同，略微好于鍛造工藝1。力學(xué)性能的差異也主要是因?yàn)槲⒂^組織造成的。三種鍛造工藝下的拉伸試樣的斷口呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征，與其力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果基本一致。

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TG319

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.013

2095－6835（2020）12－0032－04

〔編輯：王霞〕