Ti75合金封頭成形工藝研究

劉鴻彥、徐曦榮、蔡娜

（南京寶色股份公司，江蘇 南京 211178）

1 概述

鈦及鈦合金因密度小、比強度高、耐蝕性強、無磁、透聲、抗沖擊震動、可加工性好等優異綜合性能而成為一種理想的船用金屬材料。Ti75合金是我國自主研發的具有自主知識產權的一種近α型中強、高韌、耐蝕、可焊的鈦合金，其在艦船、石油、化工、機械、生物工程等領域具有廣泛的應用前景。與TA5合金相比，在保證良好的綜合性能前提下，強度高出50MPa，沖擊韌性和斷裂韌性是TA5合金的2倍，且具有比TA5合金優異的冷、熱加工性和低的雜質敏感性。現已用于鹽水泵、大口徑流體輸送管、接管、換熱器等設備，在艦船上具有廣闊的應用前景[1-2]。

本文采用熱成形方法制備φ1400×36mm規格Ti75合金橢圓封頭，研究二次沖壓熱成形及高溫熱處理對Ti75合金封頭組織及性能的影響，為后續工業生產的工藝優化和改進提供技術支撐，以確保生產中的產品質量穩定可靠。

2 試驗材料及方法

2.1 材料制備

試驗材料采用真空自耗電弧爐進行二次熔煉，制備出合格的Ti75合金鑄錠，其頭、底部的化學成分檢測結果見表1。由表1可以看出，鑄錠不同部位成分的波動很小，化學成分滿足標準規定要求。采用DSC差熱分析法測得合金的相變點為950℃～955℃，鑄錠經相變點以上開坯鍛造，并經多火次改鍛、機加工扒皮及多次熱軋、熱處理、酸洗處理后制成的板材規格為1900×1900×38mm，其板材室溫力學性能見表2。由表2可以看出，板材不同方向測得的兩組力學性能數據雖有差異，但差異不大，滿足標準規定要求。

2.2 試驗方法

Ti75合金橢圓封頭熱成形試驗在1000噸水壓機上進行，采用定制的成形上模和下模分二次進行熱沖壓成形。成形上模和下模采用水溶性壓板油+石墨粉進行涂抹潤滑，Ti75合金坯料兩面拋光并采用碳鋼雙面包套后加熱，加熱設備為箱式電阻爐，室溫板材進爐，首次保溫時間95分鐘，二次保溫時間為40分鐘，終壓溫度≥700℃，同爐帶2塊隨爐試板。成形后的橢圓封頭規格為φ1400×36mm，變形比超11%。

Ti75合金封頭為標準橢圓形封頭，其熱成形后需對其形狀偏差、尺寸偏差、板材減薄率及表面外觀質量進行檢查；同時，需對其內、外表面進行滲透（PT）檢查，按NB/T47013.5標準，Ⅰ級合格；超聲波探傷（UT）檢查，按GB/T5193標準，A級合格。

另，Ti75合金封頭成形后需從與封頭結構件組裝焊接、熱處理后的隨爐試板上取力學拉伸試樣、彎曲試樣、沖擊試壓及硬度檢測試驗。室溫拉伸及彎曲試驗在電子萬能試驗機上進行，執行標準分別為GB/T 228.1-2010和GB/T 232-2010；沖擊試驗在擺錘式沖擊試驗機上進行，執行標準為GB/T 229-2007；硬度試驗在布氏硬度計上進行，執行標準為GB/T 231.1-2018。

3 試驗結果及分析

3.1 封頭表面質量

圖1是熱成形制備的φ1400×36mm規格的Ti75合金橢圓封頭的照片。合金封頭內、外表面質量通過目視進行檢測。從圖中可以看出，合金封頭除端口直邊段存在局部皺褶外，其它部位表面均光滑，無裂紋、皺褶等缺陷；切割去除端口約40mm余量后，情況有明顯改善。

圖1 Ti75合金橢圓封頭

3.2 封頭形狀及尺寸

表3為熱成形后Ti75合金橢圓封頭的形狀及尺寸，圖2為成品封頭壁厚檢測點分布示意圖。結果表明：Ti75合金橢圓封頭形狀明顯好于技術要求，其實際形狀偏差只有規定的1/3。同時，各項尺寸檢測數據也明顯好于技術要求，且由于封頭投料厚度較大，其成形后的實測厚度較技術要求的最小厚度32mm偏厚約4.5mm以上。

3.3 封頭化學成分

表4為熱成形后Ti75合金橢圓封頭隨爐試板隨機兩組試塊化學成分。結果表明：Ti75合金橢圓封頭各主要化學成分與原材料基本保持一致，未發生明顯變化。O、N、H為雜質元素，對性能影響較大，含量增多，其力學性能提高，塑形韌性有所降低。鈦合金活性高，在加熱時容易吸氫吸氧，降低材料性能。從下表可以看出，熱成形后，O、N、H含量無太大增長，仍在標準范圍之內，符合原材料標準要求。

表1 Ti75合金化學成分（wt%）

表2 Ti75合金力學性能（室溫）

表3 Ti75合金封頭形狀及尺寸

圖2 成品封頭壁厚檢測點分布示意圖

3.4 封頭力學性能

圖3為熱成形前、后Ti75合金封頭隨爐試板的顯微組織。從圖中可以看出，熱成形前顯微組織主要為條形束狀組織和極少部分等軸組織，經≥700℃終壓溫度熱成形并高溫熱處理（溫度800℃，保溫101分鐘）后，Ti75合金中等軸組織明顯增多，部分束狀組織經過再結晶轉變為等軸晶，等軸組織有良好的塑形，但強度也會有所下降。

圖3 熱成形前、后Ti75合金封頭顯微組織

表5為熱成形后并經高溫熱處理后Ti75合金封頭隨爐試板室溫力學性能。結果表明：Ti75合金橢圓封頭隨爐試板各項性能均滿足相關材料標準，合金抗拉強度、屈服強度及沖擊功均較原始材料略微下降，其斷面收縮率則較原始材料提高5%以上；這是由于其經高溫熱處理后的等軸組織明顯增多，從而使得其屈服強度降低而塑性變大。

4 結論

（1）采用定制壓模二次沖壓熱成形工藝方法制備Ti75合金封頭是可行的，制備的橢圓封頭表面質量、工藝尺寸及形狀、性能均滿足工藝要求；

（2）采用定制壓模二次沖壓熱成形工藝方法制備的Ti75合金封頭壁厚減薄最大部位為1.52mm，其減薄率＜5%，后續工業化生產時可將其投料厚度由現階段的38mm減薄至36mm，以有效減少資源浪費、降低生產成本；

（3）熱成形及后續的高溫熱處理對合金顯微組織及性能有一定的影響。沖壓熱成形并經800℃高溫熱處理后Ti75合金等軸組織增多，部分束狀組織轉變為等軸晶，從而使得材料強度略有下降，塑性變強。

表4 Ti75合金封頭隨爐試板化學成分（wt%）

表5 Ti75合金封頭隨爐試板力學性能、硬度