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(yōu)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(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(yōu)異的冷、熱加工性和低的雜質(zhì)敏感性?，F(xiàn)已用于鹽水泵、大口徑流體輸送管、接管、換熱器等設(shè)備，在艦船上具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

本文采用熱成形方法制備φ1400×36mm規(guī)格Ti75合金橢圓封頭，研究二次沖壓熱成形及高溫?zé)崽幚韺i75合金封頭組織及性能的影響，為后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)的工藝優(yōu)化和改進(jìn)提供技術(shù)支撐，以確保生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)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(jìn)行二次熔煉，制備出合格的Ti75合金鑄錠，其頭、底部的化學(xué)成分檢測結(jié)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(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jīng)相變點以上開坯鍛造，并經(jīng)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(guī)格為1900×1900×38mm，其板材室溫力學(xué)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(xué)性能數(shù)據(jù)雖有差異，但差異不大，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jìn)行，采用定制的成形上模和下模分二次進(jìn)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(jìn)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(shè)備為箱式電阻爐，室溫板材進(jìn)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(guī)格為φ1400×36mm，變形比超11%。

Ti75合金封頭為標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量進(jìn)行檢查；同時，需對其內(nèi)、外表面進(jìn)行滲透（PT）檢查，按NB/T47013.5標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ級合格；超聲波探傷（UT）檢查，按GB/T5193標(biāo)準(zhǔn)，A級合格。

另，Ti75合金封頭成形后需從與封頭結(jié)構(gòu)件組裝焊接、熱處理后的隨爐試板上取力學(xué)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(jìn)行，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 228.1-2010和GB/T 232-2010；沖擊試驗在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進(jìn)行，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 229-2007；硬度試驗在布氏硬度計上進(jìn)行，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1-2018。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 封頭表面質(zhì)量

圖1是熱成形制備的φ1400×36mm規(guī)格的Ti75合金橢圓封頭的照片。合金封頭內(nèi)、外表面質(zhì)量通過目視進(jìn)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(jié)果表明：Ti75合金橢圓封頭形狀明顯好于技術(shù)要求，其實際形狀偏差只有規(guī)定的1/3。同時，各項尺寸檢測數(shù)據(jù)也明顯好于技術(shù)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(shù)要求的最小厚度32mm偏厚約4.5mm以上。

3.3 封頭化學(xué)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(xué)成分。結(jié)果表明：Ti75合金橢圓封頭各主要化學(xué)成分與原材料基本保持一致，未發(fā)生明顯變化。O、N、H為雜質(zhì)元素，對性能影響較大，含量增多，其力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，符合原材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 Ti75合金化學(xué)成分（wt%）

表2 Ti75合金力學(xué)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(xué)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(jīng)≥700℃終壓溫度熱成形并高溫?zé)崽幚恚囟?00℃，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(jīng)過再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S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(jīng)高溫?zé)崽幚砗骉i75合金封頭隨爐試板室溫力學(xué)性能。結(jié)果表明：Ti75合金橢圓封頭隨爐試板各項性能均滿足相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)，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(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮牡容S組織明顯增多，從而使得其屈服強度降低而塑性變大。

4 結(jié)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(zhì)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(xù)工業(yè)化生產(chǎn)時可將其投料厚度由現(xiàn)階段的38mm減薄至36mm，以有效減少資源浪費、降低生產(chǎn)成本；

（3）熱成形及后續(xù)的高溫?zé)崽幚韺辖痫@微組織及性能有一定的影響。沖壓熱成形并經(jīng)800℃高溫?zé)崽幚砗骉i75合金等軸組織增多，部分束狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S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(xué)成分（wt%）

表5 Ti75合金封頭隨爐試板力學(xué)性能、硬度