锻造工艺对新型中强耐腐蚀钛合金棒材组织及性能的影响

张业勤，齐立春，黄利军，黄驿胜，张文强

锻造工艺对新型中强耐腐蚀钛合金棒材组织及性能的影响

张业勤，齐立春，黄利军，黄驿胜，张文强

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

主要研究了三种不同锻造工艺对新型中强耐腐蚀钛合金棒材显微组织及高温力学性能的影响。研究发现，新型中强耐腐蚀钛合金通过锻造工艺1可获得大量的网篮组织和部分等轴组织构成的混合组织，室温拉伸强度较低，与终锻温度不好控制，未能始终高于β有关。而锻造工艺2和3通过在β下锻造可获得等轴组织，但锻造工艺3比2多一个β以上和一个β以下变形，原始组织破碎更为充分，动态再结晶也更为充分，因而具有更为细化的微观组织，这可能是锻造工艺3比2的室温拉伸强度稍高的原因。

新型中强耐腐蚀钛合金；锻造工艺；显微组织；力学性能

随着海洋工程装备[1]产业发展的逐步深入，特别是深海战略的推进，对材料提出了更高的要求。中国海洋工程装备主要使用的钛合金有Ti31、Ti75、Ti80、TC4[2]，主要应用在船舶上。但海上采油的设备庞大，同时采油设备特别是深海的环境十分恶劣，开采难度大，风险高，海水腐蚀、浪涌、洋流环境、海洋涡激振动和深水压力等对材料要求苛刻，需要强度高、耐腐蚀加工性能好、无磁等综合性能优良的钛合金材料制造海上石油平台支柱、超深钻井杆、钻具挠轴、提升钻具装置、钻探助推器等海洋工程装备，目前常用的钛合金已满足不了装备的发展要求，导致目前海洋工程装备上采油系统、储油系统和石油的初加工设备等完全依靠进口，进口率达到了70%～90%，因此材料问题已经成为制约海洋工程装备国产化的瓶颈之一。

Ru是铂族元素中最为经济的元素，在钛合金中添加Ru可提高其耐腐蚀性能。早在20世纪90年代有报道称美国采用Ti-6Al-4V-0.1Ru（Gr.29）钛合金制造锥形应力接头、采油和输出立管等[3]。Ti-Al-V-Ni-Nb-Ru是中国航发北京航空材料研究院研制的一种成形性好、成本低的新型中强耐腐蚀钛合金，室温强度b≥900 MPa，3.5%NaCl水溶液室温环境下断裂韧性ISCC≥70 MPa·m1/2。为了尽快将新型中强耐腐蚀钛合金向海洋工程装备推广应用，必须深入开展新型中强耐腐蚀钛合金材料研制及应用研究工作。而锻造工艺对钛合金组织及力学性能影响很大[4-6]，因此锻造工艺对实际生产具有重大的意义。本研究分析了三种不同锻造工艺方案对组织及性能的影响，可为新型中强耐腐蚀钛合金棒材工艺的制定提供理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为中国航发北京航空材料研究院经3次真空自耗电弧炉熔炼的新型中强耐腐蚀钛合金铸锭。

1.2 试验方法

采用三种不同锻造工艺对新型中强耐腐蚀钛合金进行开坯锻造，三种工艺如图1所示。三种锻造工艺前三火次工艺完全相同，主要区别在于最后一火次的锻造温度及相变点以上及以下锻造火次的数量。锻造工艺1最后一火的锻造温度是β＋30 ℃，锻造工艺2和3最后一火的锻造温度是β－30 ℃，而锻造工艺3比锻造工艺2多了一个β＋30 ℃以上和一个β－30 ℃以下锻造火次。在对三种不同锻造工艺研制的新型中强耐腐蚀钛合金棒材，采用同样的制度热处理后进行力学性能测试，并通过测试后的力学性能试样开展微观组织分析，从而确定三种不同锻造工艺对合金力学性能及微观组织的影响规律。

2 试验结果与分析

2.1 不同锻造工艺对新型中强耐腐蚀钛合金棒材微观组织的影响

三种不同锻造工艺下新型中强耐腐蚀钛合金棒材500倍下的光学显微组织照片如图2所示。由图2（a）可以看出，新型中强耐腐蚀钛合金在锻造工艺1条件下，形成的微观组织为网篮组织和等轴组织的混合组织，以网篮组织为主。由于等轴组织的形成一般与β温度之下加热和塑性变形有关，因此在锻造过程中锻造工艺1未获得严格执行，终锻温度未始终高于合金的β相变点β。由图2（b）和2（c）可以看出，在锻造工艺2和3条件下形成的微观组织为细小均匀的等轴组织，这是锻造工艺2和3是在β下进行的，通过动态再结晶形成大量的等轴α相。

图2 三种不同锻造工艺下新型中强耐腐蚀钛合金棒材的500倍光学显微组织

锻造工艺1下新型中强耐腐蚀钛合金棒材的SEM照片如图3所示，图3（a）为网篮组织，图3（b）为等轴组织，其中深色的板条状组织和等轴组织为α相，浅色区域为β相。锻造工艺2下的SEM组织形态如图4所示，主要为等轴α相并可见少量板条α相。锻造工艺3下的SEM组织形态如图5所示，主要为等轴α相和不规则分布的β转变组织，同时还可以清晰地看出β转变组织中的针状α相。

图5 锻造工艺3下新型中强耐腐蚀钛合金棒材SEM照片

锻造工艺2和3下新型中强耐腐蚀钛合金棒材高分辨率SEM照片如图6所示。

图6 锻造工艺2和3下新型中强耐腐蚀钛合金棒材β转变组织高分辨SEM照片

通过图6可以看出尽管二者具有相似的微观组织形态，但是锻造工艺3具有更细化的微观组织，具有更细小的初生α相，β转变组织中的次生α相也更为细小。这是因为锻造工艺3比锻造工艺2多经过一个相变点以上和一个相变点以下火次的变形，所以原始组织破碎更为充分，动态再结晶也更为充分。

2.2 不同锻造工艺对新型中强耐腐蚀钛合金棒材力学性能的影响

三种不同锻造工艺生产的新型中强耐腐蚀钛合金棒材力学性能测试结果如表1所示。由表1可以看出，三种锻造工艺下锻造工艺2和锻造工艺3新型中强耐腐蚀钛合金棒材的强度明显高于锻造工艺1，这可能是由于锻造工艺1未严格得到执行，导致终锻温度低于β，导致显微组织不仅有网篮组织还出现了等轴组织的原因。而锻造工艺3比锻造工艺2的强度稍高，这可能是由于锻造工艺2和锻造工艺3微观组织相近，但锻造工艺3比锻造工艺2具有更细化的微观组织的原因。三种锻造工艺下锻造工艺2和3的塑性相当，稍好于锻造工艺1，这是由于等轴组织的塑性要好于网篮组织的原因。

表1 三种锻造工艺下新型中强耐腐蚀钛合金棒材力学性能

锻造工艺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 不同锻造工艺新型中强耐腐蚀钛合金棒材的X光衍射谱分析

三种锻造工艺下新型中强耐腐蚀钛合金的X光衍射谱如图7所示。由此图可以看出，与锻造工艺2和3相比，锻造工艺1下的微观组织中含有较多的β相，这显然与合金的锻造工艺有关。当锻造温度高于合金的β转变温度（β）时，β相区锻造之后的冷却过程可以保留较多的残余β相到室温；而低于合金的β下锻造，β相转变为α相（次生α相）将比较充分，从而保留较少的残余β相到室温，这是锻造工艺1含有较多β相的主要原因。相比之下，锻造工艺2和3具有非常类似的X光衍射谱，这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，而残余β相含量较少。结合光学显微组织和SEM分析，X光衍射分析的结果与微观组织分析的结果相一致。

2.4 不同锻造工艺新型中强耐腐蚀钛合金棒材的拉伸断口分析

对三种不同锻造工艺新型中强耐腐蚀钛合金棒材拉伸试样的断口进行了分析表征，图8、图9和图10分别给出了三种锻造工艺下拉伸试样断口的SEM图。由此可以看出，三种锻造工艺样品的拉伸试样的断口呈现典型的韧性断裂特征，与三种锻造工艺TC4-Ru合金拉伸试样的力学性能测试结果一致。

图7 三种锻造工艺下的X光衍射谱

图8 锻造工艺1下新型中强耐腐蚀钛合金棒材拉伸断口的SEM图

图9 锻造工艺2下新型中强耐腐蚀钛合金棒材拉伸断口的SEM图

图10 锻造工艺3下新型中强耐腐蚀钛合金棒材拉伸断口的SEM图

3 结论

锻造工艺对新型中强耐腐蚀钛合金的微观组织具有显著影响。在锻造工艺1条件下合金微观组织由大量的网篮组织和部分等轴组织构成，这种混合组织的形成可能是由于在相变点附近锻造时终锻温度不易控制，容易造成终锻温度低于β温度。而在锻造工艺2和3条件下，合金的微观组织为大量的等轴组织，这种微观组织是在锻造温度低于β温度下形成的。但由于锻造工艺3比锻造工艺2多经过一个相变点以上和一个相变点以下火次的变形，锻造工艺3比2的微观组织更细化。

与锻造工艺2和3相比，锻造工艺1下合金微观组织中含有较多的β相。这是由于锻造工艺1锻造温度高于β，初生α相析出被抑制，因此从单相β区冷却到室温可获得较多的残余β相。而锻造工艺2和3在β温度之下锻造使得β相转变为α相（次生α相）比较充分，从而保留较少的残余β相到室温。

三种锻造工艺条件下，新型中强耐腐蚀钛合金棒材锻造工艺2和3的强度明显高于锻造工艺1，而延伸率和收缩率基本相同，略微好于锻造工艺1。力学性能的差异也主要是因为微观组织造成的。三种锻造工艺下的拉伸试样的断口呈现典型的韧性断裂特征，与其力学性能测试结果基本一致。

［1］刘全，黄炳星，王红湘.海洋工程装备产业现状发展分析［J］.中国水运，2011（11）：37-39.

［2］孟祥军，陈春和，余巍，等.几种海洋工程用钛合金及其应用［J］.中国造船，2004（45）：38-42.

［3］SCHUTZ R W，WATKINS H B. Recent developments in titanium alloy application in the energy industry［J］.Materials Science and Engineering A，1998（243）：305-315.

［4］张利军，田军强，常辉.锻造工艺对TC21钛合金模锻件组织及性能的影响［J］.锻压技术，2010（35）：12-15.

［5］汪波，曾卫东，彭雯雯.不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织与力学性能的影响［J］.钛工业进展，2014（31）：14-18.

［6］李瑞，段晓辉，岳旭，等.锻造工艺对Ti-6Al-4V合金大规格方坯组织与性能的影响［J］.钛工业进展，2018（35）：33-37.

TG319

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.013

2095－6835（2020）12－0032－04

〔编辑：王霞〕