鍛造工藝對新型中強耐腐蝕鈦合金棒材組織及性能的影響

張業勤，齊立春，黃利軍，黃驛勝，張文強

鍛造工藝對新型中強耐腐蝕鈦合金棒材組織及性能的影響

張業勤，齊立春，黃利軍，黃驛勝，張文強

（中國航發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新型中強耐腐蝕鈦合金棒材顯微組織及高溫力學性能的影響。研究發現，新型中強耐腐蝕鈦合金通過鍛造工藝1可獲得大量的網籃組織和部分等軸組織構成的混合組織，室溫拉伸強度較低，與終鍛溫度不好控制，未能始終高于β有關。而鍛造工藝2和3通過在β下鍛造可獲得等軸組織，但鍛造工藝3比2多一個β以上和一個β以下變形，原始組織破碎更為充分，動態再結晶也更為充分，因而具有更為細化的微觀組織，這可能是鍛造工藝3比2的室溫拉伸強度稍高的原因。

新型中強耐腐蝕鈦合金；鍛造工藝；顯微組織；力學性能

隨著海洋工程裝備[1]產業發展的逐步深入，特別是深海戰略的推進，對材料提出了更高的要求。中國海洋工程裝備主要使用的鈦合金有Ti31、Ti75、Ti80、TC4[2]，主要應用在船舶上。但海上采油的設備龐大，同時采油設備特別是深海的環境十分惡劣，開采難度大，風險高，海水腐蝕、浪涌、洋流環境、海洋渦激振動和深水壓力等對材料要求苛刻，需要強度高、耐腐蝕加工性能好、無磁等綜合性能優良的鈦合金材料制造海上石油平臺支柱、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展要求，導致目前海洋工程裝備上采油系統、儲油系統和石油的初加工設備等完全依靠進口，進口率達到了70%～90%，因此材料問題已經成為制約海洋工程裝備國產化的瓶頸之一。

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

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為中國航發北京航空材料研究院經3次真空自耗電弧爐熔煉的新型中強耐腐蝕鈦合金鑄錠。

1.2 試驗方法

采用三種不同鍛造工藝對新型中強耐腐蝕鈦合金進行開坯鍛造，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，主要區別在于最后一火次的鍛造溫度及相變點以上及以下鍛造火次的數量。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β＋30 ℃以上和一個β－30 ℃以下鍛造火次。在對三種不同鍛造工藝研制的新型中強耐腐蝕鈦合金棒材，采用同樣的制度熱處理后進行力學性能測試，并通過測試后的力學性能試樣開展微觀組織分析，從而確定三種不同鍛造工藝對合金力學性能及微觀組織的影響規律。

2 試驗結果與分析

2.1 不同鍛造工藝對新型中強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耐腐蝕鈦合金棒材500倍下的光學顯微組織照片如圖2所示。由圖2（a）可以看出，新型中強耐腐蝕鈦合金在鍛造工藝1條件下，形成的微觀組織為網籃組織和等軸組織的混合組織，以網籃組織為主。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，因此在鍛造過程中鍛造工藝1未獲得嚴格執行，終鍛溫度未始終高于合金的β相變點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小均勻的等軸組織，這是鍛造工藝2和3是在β下進行的，通過動態再結晶形成大量的等軸α相。

圖2 三種不同鍛造工藝下新型中強耐腐蝕鈦合金棒材的500倍光學顯微組織

鍛造工藝1下新型中強耐腐蝕鈦合金棒材的SEM照片如圖3所示，圖3（a）為網籃組織，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，淺色區域為β相。鍛造工藝2下的SEM組織形態如圖4所示，主要為等軸α相并可見少量板條α相。鍛造工藝3下的SEM組織形態如圖5所示，主要為等軸α相和不規則分布的β轉變組織，同時還可以清晰地看出β轉變組織中的針狀α相。

圖5 鍛造工藝3下新型中強耐腐蝕鈦合金棒材SEM照片

鍛造工藝2和3下新型中強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下新型中強耐腐蝕鈦合金棒材β轉變組織高分辨SEM照片

通過圖6可以看出盡管二者具有相似的微觀組織形態，但是鍛造工藝3具有更細化的微觀組織，具有更細小的初生α相，β轉變組織中的次生α相也更為細小。這是因為鍛造工藝3比鍛造工藝2多經過一個相變點以上和一個相變點以下火次的變形，所以原始組織破碎更為充分，動態再結晶也更為充分。

2.2 不同鍛造工藝對新型中強耐腐蝕鈦合金棒材力學性能的影響

三種不同鍛造工藝生產的新型中強耐腐蝕鈦合金棒材力學性能測試結果如表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新型中強耐腐蝕鈦合金棒材的強度明顯高于鍛造工藝1，這可能是由于鍛造工藝1未嚴格得到執行，導致終鍛溫度低于β，導致顯微組織不僅有網籃組織還出現了等軸組織的原因。而鍛造工藝3比鍛造工藝2的強度稍高，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，稍好于鍛造工藝1，這是由于等軸組織的塑性要好于網籃組織的原因。

表1 三種鍛造工藝下新型中強耐腐蝕鈦合金棒材力學性能

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。當鍛造溫度高于合金的β轉變溫度（β）時，β相區鍛造之后的冷卻過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相轉變為α相（次生α相）將比較充分，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。結合光學顯微組織和SEM分析，X光衍射分析的結果與微觀組織分析的結果相一致。

2.4 不同鍛造工藝新型中強耐腐蝕鈦合金棒材的拉伸斷口分析

對三種不同鍛造工藝新型中強耐腐蝕鈦合金棒材拉伸試樣的斷口進行了分析表征，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性能測試結果一致。

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下新型中強耐腐蝕鈦合金棒材拉伸斷口的SEM圖

3 結論

鍛造工藝對新型中強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籃組織和部分等軸組織構成，這種混合組織的形成可能是由于在相變點附近鍛造時終鍛溫度不易控制，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多經過一個相變點以上和一個相變點以下火次的變形，鍛造工藝3比2的微觀組織更細化。

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相轉變為α相（次生α相）比較充分，從而保留較少的殘余β相到室溫。

三種鍛造工藝條件下，新型中強耐腐蝕鈦合金棒材鍛造工藝2和3的強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。力學性能的差異也主要是因為微觀組織造成的。三種鍛造工藝下的拉伸試樣的斷口呈現典型的韌性斷裂特征，與其力學性能測試結果基本一致。

［1］劉全，黃炳星，王紅湘.海洋工程裝備產業現狀發展分析［J］.中國水運，2011（11）：37-39.

［2］孟祥軍，陳春和，余巍，等.幾種海洋工程用鈦合金及其應用［J］.中國造船，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］張利軍，田軍強，常輝.鍛造工藝對TC21鈦合金模鍛件組織及性能的影響［J］.鍛壓技術，2010（35）：12-15.

［5］汪波，曾衛東，彭雯雯.不同鍛造工藝對TC4鈦合金棒材顯微組織與力學性能的影響［J］.鈦工業進展，2014（31）：14-18.

［6］李瑞，段曉輝，岳旭，等.鍛造工藝對Ti-6Al-4V合金大規格方坯組織與性能的影響［J］.鈦工業進展，2018（35）：33-37.

TG319

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.013

2095－6835（2020）12－0032－04

〔編輯：王霞〕