Ti75合金封头成形工艺研究

刘鸿彦、徐曦荣、蔡娜

（南京宝色股份公司，江苏 南京 211178）

1 概述

钛及钛合金因密度小、比强度高、耐蚀性强、无磁、透声、抗冲击震动、可加工性好等优异综合性能而成为一种理想的船用金属材料。Ti75合金是我国自主研发的具有自主知识产权的一种近α型中强、高韧、耐蚀、可焊的钛合金，其在舰船、石油、化工、机械、生物工程等领域具有广泛的应用前景。与TA5合金相比，在保证良好的综合性能前提下，强度高出50MPa，冲击韧性和断裂韧性是TA5合金的2倍，且具有比TA5合金优异的冷、热加工性和低的杂质敏感性。现已用于盐水泵、大口径流体输送管、接管、换热器等设备，在舰船上具有广阔的应用前景[1-2]。

本文采用热成形方法制备φ1400×36mm规格Ti75合金椭圆封头，研究二次冲压热成形及高温热处理对Ti75合金封头组织及性能的影响，为后续工业生产的工艺优化和改进提供技术支撑，以确保生产中的产品质量稳定可靠。

2 试验材料及方法

2.1 材料制备

试验材料采用真空自耗电弧炉进行二次熔炼，制备出合格的Ti75合金铸锭，其头、底部的化学成分检测结果见表1。由表1可以看出，铸锭不同部位成分的波动很小，化学成分满足标准规定要求。采用DSC差热分析法测得合金的相变点为950℃～955℃，铸锭经相变点以上开坯锻造，并经多火次改锻、机加工扒皮及多次热轧、热处理、酸洗处理后制成的板材规格为1900×1900×38mm，其板材室温力学性能见表2。由表2可以看出，板材不同方向测得的两组力学性能数据虽有差异，但差异不大，满足标准规定要求。

2.2 试验方法

Ti75合金椭圆封头热成形试验在1000吨水压机上进行，采用定制的成形上模和下模分二次进行热冲压成形。成形上模和下模采用水溶性压板油+石墨粉进行涂抹润滑，Ti75合金坯料两面抛光并采用碳钢双面包套后加热，加热设备为箱式电阻炉，室温板材进炉，首次保温时间95分钟，二次保温时间为40分钟，终压温度≥700℃，同炉带2块随炉试板。成形后的椭圆封头规格为φ1400×36mm，变形比超11%。

Ti75合金封头为标准椭圆形封头，其热成形后需对其形状偏差、尺寸偏差、板材减薄率及表面外观质量进行检查；同时，需对其内、外表面进行渗透（PT）检查，按NB/T47013.5标准，Ⅰ级合格；超声波探伤（UT）检查，按GB/T5193标准，A级合格。

另，Ti75合金封头成形后需从与封头结构件组装焊接、热处理后的随炉试板上取力学拉伸试样、弯曲试样、冲击试压及硬度检测试验。室温拉伸及弯曲试验在电子万能试验机上进行，执行标准分别为GB/T 228.1-2010和GB/T 232-2010；冲击试验在摆锤式冲击试验机上进行，执行标准为GB/T 229-2007；硬度试验在布氏硬度计上进行，执行标准为GB/T 231.1-2018。

3 试验结果及分析

3.1 封头表面质量

图1是热成形制备的φ1400×36mm规格的Ti75合金椭圆封头的照片。合金封头内、外表面质量通过目视进行检测。从图中可以看出，合金封头除端口直边段存在局部皱褶外，其它部位表面均光滑，无裂纹、皱褶等缺陷；切割去除端口约40mm余量后，情况有明显改善。

图1 Ti75合金椭圆封头

3.2 封头形状及尺寸

表3为热成形后Ti75合金椭圆封头的形状及尺寸，图2为成品封头壁厚检测点分布示意图。结果表明：Ti75合金椭圆封头形状明显好于技术要求，其实际形状偏差只有规定的1/3。同时，各项尺寸检测数据也明显好于技术要求，且由于封头投料厚度较大，其成形后的实测厚度较技术要求的最小厚度32mm偏厚约4.5mm以上。

3.3 封头化学成分

表4为热成形后Ti75合金椭圆封头随炉试板随机两组试块化学成分。结果表明：Ti75合金椭圆封头各主要化学成分与原材料基本保持一致，未发生明显变化。O、N、H为杂质元素，对性能影响较大，含量增多，其力学性能提高，塑形韧性有所降低。钛合金活性高，在加热时容易吸氢吸氧，降低材料性能。从下表可以看出，热成形后，O、N、H含量无太大增长，仍在标准范围之内，符合原材料标准要求。

表1 Ti75合金化学成分（wt%）

表2 Ti75合金力学性能（室温）

表3 Ti75合金封头形状及尺寸

图2 成品封头壁厚检测点分布示意图

3.4 封头力学性能

图3为热成形前、后Ti75合金封头随炉试板的显微组织。从图中可以看出，热成形前显微组织主要为条形束状组织和极少部分等轴组织，经≥700℃终压温度热成形并高温热处理（温度800℃，保温101分钟）后，Ti75合金中等轴组织明显增多，部分束状组织经过再结晶转变为等轴晶，等轴组织有良好的塑形，但强度也会有所下降。

图3 热成形前、后Ti75合金封头显微组织

表5为热成形后并经高温热处理后Ti75合金封头随炉试板室温力学性能。结果表明：Ti75合金椭圆封头随炉试板各项性能均满足相关材料标准，合金抗拉强度、屈服强度及冲击功均较原始材料略微下降，其断面收缩率则较原始材料提高5%以上；这是由于其经高温热处理后的等轴组织明显增多，从而使得其屈服强度降低而塑性变大。

4 结论

（1）采用定制压模二次冲压热成形工艺方法制备Ti75合金封头是可行的，制备的椭圆封头表面质量、工艺尺寸及形状、性能均满足工艺要求；

（2）采用定制压模二次冲压热成形工艺方法制备的Ti75合金封头壁厚减薄最大部位为1.52mm，其减薄率＜5%，后续工业化生产时可将其投料厚度由现阶段的38mm减薄至36mm，以有效减少资源浪费、降低生产成本；

（3）热成形及后续的高温热处理对合金显微组织及性能有一定的影响。冲压热成形并经800℃高温热处理后Ti75合金等轴组织增多，部分束状组织转变为等轴晶，从而使得材料强度略有下降，塑性变强。

表4 Ti75合金封头随炉试板化学成分（wt%）

表5 Ti75合金封头随炉试板力学性能、硬度