李 巍，李渭清，馮永琦，張永強(qiáng)，賈栓孝

（寶鈦股份有限公司，寶雞721014）

海洋是人類社會(huì)發(fā)展的第二大戰(zhàn)略空間，人類活動(dòng)越來越向海洋聚焦，海洋的生物和礦產(chǎn)資源是陸地的幾千倍．深海潛水器做為一種深海耐壓探測(cè)裝備，能從根本上滿足深海探測(cè)任務(wù)，是海洋技術(shù)開發(fā)的制高點(diǎn)．廣泛用于海底石油、天然氣水化物、海洋生物資源調(diào)查，并對(duì)海上事故，如沉船、石油運(yùn)輸船泄露、海底光纜修補(bǔ)、監(jiān)視等具有替他手段不可替代的作用．深潛器耐壓球殼結(jié)構(gòu)是關(guān)系到潛水器能否承受深水高壓以及保證潛水器總體性能的首要關(guān)鍵技術(shù)，它是保證載人器和人員安全的最重要部件，主要承受深海壓力、海水腐蝕、海流的擾動(dòng)，為內(nèi)部電子元器件裝置、儀器設(shè)備和人員提供安全的環(huán)境［1-5］．鈦合金因比強(qiáng)度高、耐局部和均勻腐蝕，被多國作為深潛器耐壓殼體的首選材料．為保證殼體材料設(shè)計(jì)壽命和損傷容限，具有900MPa級(jí)別的Ti-6Al-4VELI鈦合金材料被應(yīng)用于深潛器耐壓殼體制造［6-7］．本文研制900MPa級(jí)別鈦合金深潛殼體，并對(duì)其組織性能進(jìn)行研究．

1 試驗(yàn)材料及測(cè)試方法

1．1 試驗(yàn)材料

首先利用國內(nèi)唯一的萬噸自由鍛壓機(jī)制備出單重近6t的Ti-6Al-4VELI鈦合金寬厚板坯，合金化學(xué)成份符合GB／T 3620．經(jīng)3 300mm四輥可逆式熱軋機(jī)軋制90mm×3 200mm×3 200mm規(guī)格板材．最后經(jīng)半球整體沖壓技術(shù)制備直徑為2 100mm半球．試驗(yàn)材料取自半球開孔料，開孔料位于半球頂端人員出入艙口處，如圖1所示．從開口料上取20mm×20mm×L mm兩塊試樣測(cè)試材料的力學(xué)性能，其中試樣1長度方向與整體沖壓前板材軋制方向平行．試樣2長度方向與原軋制方向垂直，如圖2所示．

圖1 取樣部位示意圖Fig．1 Schematic diagram of sampling position

圖2 取樣方向示意圖Fig．2 Schematic diagram of sampling direction

1．2 測(cè)試方法

試驗(yàn)經(jīng)研磨、拋光后，采用HF＋HNO3＋H2O（1∶3∶7）腐蝕液酸侵蝕后，利用蔡司金相顯微鏡對(duì)材料組織進(jìn)行分析．采用掃描電鏡觀察斷口形貌，掃描電鏡型號(hào)為JSM6400．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 顯微組織

材料顯微組織形貌如圖3所示，圖3（a）、3（b）分別為試樣1、試樣2橫截面顯微組織．

圖3 不同取樣方向顯微組織形貌Fig．3 Microstructure morphology of different sampling direction

顯微組織為α＋β兩相區(qū)加工組織，無原始β晶界，殘留β相基體上分布著細(xì)小、具有方向性的次生α相．試樣1中初生α相呈等軸狀．試樣2低倍組織存在“纖維組織”，通常稱為“金屬流線”，如圖3（b）左下角所示．流線方向與軋制方向平行，其中流線處顯微組織為拉長的α相．α相邊界呈鋸齒狀，為典型動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，表明拉長α相在軋制及后續(xù)沖壓過程中，組織存在球化趨勢(shì)．該機(jī)理通過T．Seshacharyulu等人的板條剪切模型解釋［8-9］．該模型的球化過程如圖4所示．

圖4 板條剪切模型Fig．4 Lath shear model

材料因受剪切應(yīng)變而發(fā)生剪切變形，位錯(cuò)沿剪切線產(chǎn)生，異號(hào)位錯(cuò)相互抵消，同號(hào)位錯(cuò)沿剪切線形成高密度位錯(cuò)墻．圖5為J．K．Fan等人采用透射電鏡經(jīng)選區(qū)衍射觀察到的Ti-7333合金770℃變形后α相形貌［10］．

圖5 α相中的位錯(cuò)墻Fig．5 DDWS inαphase

從圖5中可看到沿剪切線形成的高密度的位錯(cuò)墻（DDWS）［11-12］．位錯(cuò)墻將拉長α相分隔成若干個(gè)亞晶結(jié)構(gòu)，隨著變形程度的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不斷加劇，亞晶晶界逐漸由小角度晶界轉(zhuǎn)化為大角度晶界，直至形成新的等軸晶粒．新的等軸晶粒隨著變形方向繼續(xù)拉長．導(dǎo)致軋制方向不同部位即存在等軸組織，又存在拉長α相．

2．2 力學(xué)性能

耐壓殼體室溫力學(xué)性能見表1，從表1中數(shù)據(jù)可以看出，該材料滿足900MPa級(jí)別深潛器耐壓殼體制造．沿金屬流線方向室溫拉伸強(qiáng)度及斷面收縮率高于垂直金屬流線方向強(qiáng)度．

2．3 斷口分析

采用掃描電鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察，圖6（a）為試樣1拉伸斷口形貌，斷口形貌主要是由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三部分組成．裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橛芍行睦w維區(qū)向四周擴(kuò)展．?dāng)嗫诔实容S韌窩形貌．圖6（b）為拉伸斷口放射區(qū)斷口形貌，可以看出，斷裂屬于韌性斷裂，斷裂機(jī)理為微孔聚集型斷裂．圖7（a）為試樣2宏觀拉伸斷口形貌，拉伸斷口呈扁平狀．中心纖維區(qū)面積較小，擴(kuò)展區(qū)較大，約占整個(gè)面積50%左右．圖中上下凸起部位為剪切唇．流線使材料力學(xué)表現(xiàn)出各向異性，阻礙了拉伸過程中的縮頸，故使斷口呈扁平狀，斷面收縮率有所降低．另外流線還改變了拉伸過程中裂紋擴(kuò)展路徑，裂紋沿流線方向擴(kuò)展，并不像等軸組織一樣沿心部向四周擴(kuò)展．圖7（b）為試樣2高倍下所觀察到的放射區(qū)的斷口形貌．顯現(xiàn)為大小韌窩形貌，沿流線方向存在大量二次裂紋，說明拉伸過程中拉長α相易形成裂紋源，相界面為其擴(kuò)展通道．流線附近斷口平坦，韌窩較淺，流線處塑性較等軸組織稍差，主要是由于流線處初生α含量較等軸處高，并且流線取向具有方向性所致．

表1 耐壓殼體室溫力學(xué)性能Tab．1 The mechanical properties of the pressure shell at room temperature

金屬流線不僅影響室溫拉伸性能及斷口形貌，對(duì)材料沖擊韌性也存在很大影響．在試樣2上取沖擊試樣進(jìn)行V型缺口沖擊性能測(cè)試，缺口方向分別平行于流線及垂直于流線方向．沖擊斷口形貌如圖8所示．缺口方向平行于流線方向，材料沖擊韌性值高達(dá)52J·cm-2，缺口方向垂直于流線方向，材料沖擊韌性值為40J·cm-2．從沖擊斷口形貌上可看出，沖擊斷口兩側(cè)有較大的剪切唇，上部缺口處纖維區(qū)面積較少，放射區(qū)面積較大．說明材料在沖擊過程中，發(fā)生了微小的塑形變形，隨后迅速失穩(wěn)擴(kuò)展．圖8（a）為缺口方向平行于流線方向沖擊斷口形貌，斷面存在凸凹不平，且沿一定方向拉長的組織形貌，如圖8中箭頭所示，將這種組織定義為“片狀”組織．該組織是由于金屬流線產(chǎn)生的，“片狀”組織方向與金屬流線方向一致．該“片狀”組織與主裂紋擴(kuò)展方向垂直，在一定程度上阻礙了裂紋擴(kuò)展．同時(shí)沿“片狀”組織存在二次裂紋，消耗了大量的能量，提高了沖擊功，有利于沖擊韌性．圖8（b）為缺口方向垂直于流線方向斷口形貌，“片狀”組織方向與二次裂紋及主裂紋擴(kuò)展方向平行．二次裂紋的出現(xiàn)，加速了主裂紋的擴(kuò)展，但也消耗了一定的能量，兩者綜合起來，對(duì)沖擊韌性的影響不大．

圖6 試樣1在不同倍率下拉伸斷口形貌Fig．6 Tensile fracture morphology of specimen 1at different magnification

圖7 試樣2在不同倍率下拉伸斷口形貌Fig．7 Tensile fracture morphology of specimen 2at different magnification

圖8 不同缺口方向沖擊斷口形貌Fig．8 Impact fracture morphology in different direction of notch

3 結(jié) 論

1）材料為α＋β兩相區(qū)加工組織，沿金屬流線方向，存在拉長α相組織，其邊界呈鋸齒狀，組織存在球化趨勢(shì)．

2）沿金屬流線方向室溫拉伸強(qiáng)度及斷面收縮率較高．金屬流線方向垂直于主裂紋方向時(shí)，有利于提高沖擊韌性值．

3）拉伸及沖擊斷口形貌呈等軸韌窩，斷裂屬于微孔聚集型斷裂．金屬流線影響材料的斷口形貌，改變裂紋擴(kuò)展路徑，材料力學(xué)表現(xiàn)出各向異性．

［1］ CUI W C，XU Q N，LIU T．Design and Construction of the Deep Manned Submersible “Harmony”［J］．Ship Science and Technology，2008（1）：17．

［2］ LIU F，CUI W C，LI X Y．China’s First Deep Manned Submersible-Jiaolong［J］．Science China，2010（10）：1407．

［3］ RONA P A．Deep-Driving Manned Research Submersibles［J］．MTS Journal，1999，33（4）：13．

［4］ SAGALEVITCH A M．MIR Submersibles in Science and Technology［J］．Marine Technology Society Journal，1996，30（1）：7．

［5］ 俞銘華，王自力，李良碧，等．大深度載人潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展［J］．華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，18（4）：1．YU Ming-hua，WANG Zi-li，LI Liang-bi，et al．Development of Research on the Pressure Shell Structure of Deep Manned Submersible［J］．Journal of East China Shipbuilding Institute，2004，18（4）：1．（in Chinese）

［6］ 劉濤．深海載人潛水器耐壓球殼設(shè)計(jì)特性分析［J］．船舶力學(xué)，2007，11（2）：214．LIU Tao．Research on the Design of Spherical Pressure Hull in Manned Deep-Sea Submersible［J］．Journal of Ship Mechanics，2007，11（2）：214．（in Chinese）

［7］ TELIN V V，IVASHCHENKO V I，CHERVONYI I F，et al．Analysis of Trends in the Development of Technologies，Production，and Utilization of Titanium［J］．Titan，2005（2）：73．

［8］ SESHACHARYULU T，MEDEIROS S C，MORGAN J T，et al．Hot Deformation and Microstructural Damage Mechanisms in Extra-Low Interstitial（ELI）Grade Ti-6Al-4V［J］．Mater Sci Eng A，2000，279：289．

［9］ 方軍，王克魯，魯世強(qiáng)，等．鈦合金片層組織球化規(guī)律及模型的研究進(jìn)展［J］．材料研究與應(yīng)用，2010，4（1）：13．FANG Jun，WANG Ke-lu，LU Shi-qiang，et al．Progress on Globularization Mechanisms and Models in Titanium Alloys with Lamellar Structure［J］．Materials Research and Application，2010，4（1）：13．（in Chinese）

［10］ FAN J K，KOU H C，LAI M J，et al．Characterization of Hot Deformation Behavior of a New Near Beta Titanium Alloy：Ti-7333［J］．Materials and Design，2013，49：945．

［11］ CHEN J，YAN W，CHEN S K，et al．Substructure Formed in Cold Drawn Processing for Single Crystal Cooper Wires［J］．Rare Metal Materials and Engineering，2007，36（11）：186．

［12］ 李巍，嚴(yán)文，陳建，等．拉拔單晶銅線材形變織構(gòu)的研究［J］．兵器材料科學(xué)與工程，2008，31（1）：1．LI Wei，YAN Wen，CHEN Jian，et al．Study of Deformation Texture in Drawn Copper Single Crystal Wires［J］．Ordnance Material Science and Engineering，2008，31（1）：1．（in Chinese）