TA31合金具有高強(qiáng)、高韌、可焊及耐蝕等綜合性能，是我國(guó)自行研制的875 MPa級(jí)結(jié)構(gòu)鈦合金。與TC4合金相比，綜合性能更優(yōu)，主要應(yīng)用于船用的受力結(jié)構(gòu)件、螺栓、軸以及耐壓殼體等[1-2]。TA31合金是一種近α型鈦合金，名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo,通過α穩(wěn)定元素A1的固溶強(qiáng)化，并加入少量的中性元素Zr和Nb強(qiáng)化合金。

目前，有關(guān)TA31合金的熱加工行為主要體現(xiàn)在鍛造組織及性能研究，其在鑄造領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究報(bào)道較少。近期研究表明，采用TA31鈦合金澆注的結(jié)構(gòu)鑄件，經(jīng)工程實(shí)踐，其強(qiáng)度、韌性及使用性能均滿足要求。

本課題主要探討了 TA31合金的鑄造工藝、金相組織、熱等靜壓及熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響，以期對(duì)該材料的推廣應(yīng)用提供參考。

1、試驗(yàn)材料及方法

鑄件和附鑄試樣均采用石墨鑄型重力鑄造工藝生產(chǎn)。合金錠為經(jīng)過2次熔煉的成分合格的TA31鑄錠，采用150 kg真空自耗型殼爐熔煉。合金錠用機(jī)加工或打磨去除表面氧化皮，之后采用手工鑄極氮弧焊將鈦錠和電極卡頭焊接在一起作為自耗電極，安裝在電極桿上。用專用卡具將經(jīng)過除氣和預(yù)熱的石墨鑄型固定在離心轉(zhuǎn)盤上，并將真空自耗型殼爐抽至真空度≤4 Pa時(shí)進(jìn)行熔煉澆注。附鑄試樣尺寸為φ16 mm × 140mm,熱處理后加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。在CMT5105微機(jī)控制萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用Leica體視顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

鑄件澆注成形后，為消除內(nèi)部缺陷進(jìn)行熱等靜壓處理。熱等靜壓溫度為920 ±10 C,就氣壓力為100?140 MPa,保溫時(shí)間為2-2.5 h,隨爐冷卻至300 °C以下出爐。退火工藝為真空下700+10 °C保溫2 h,隨爐冷卻至300 C以下出爐。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 TA31合金的化學(xué)成分

TA31鈦合金的強(qiáng)化機(jī)制和其他鈦合金一樣，通過α穩(wěn)定元素A1等對(duì)六方α相進(jìn)行固溶強(qiáng)化。在合金中加入中性元素Zr、Nb及β穩(wěn)定元素M。,可以改善其工藝性.因此該合金既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有良好的塑性。

取澆注的TA31合金試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表1，其中1~3號(hào)試樣為本次試驗(yàn)同爐試樣，批量統(tǒng)計(jì)為近兩年來鑄件化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.2 TA31鑄造鈦合金在不同狀態(tài)下的組織

TA31合金在不同狀態(tài)下的組織見圖1。可以看出.TA31合金的金相組織在鑄造狀態(tài)下以針狀、條狀α相(白亮色區(qū)域)為主，存在少量β相(α相之間的暗色區(qū)域)，屬于典型的魏氏組織和網(wǎng)籃組織；退火態(tài)組織以針狀、條狀α相為主.存在少量β相，退火態(tài)組織與鑄態(tài)組織相近但相對(duì)鑄態(tài)組織更加均勻。經(jīng)熱等靜壓(HIP)處理后，合金在α+β兩相區(qū)長(zhǎng)時(shí)間保溫且高壓作用下，晶內(nèi)的針狀或較細(xì)的α相組織發(fā)生粗化和部分碎斷，導(dǎo)致原鑄態(tài)組織中針狀α相消失，形成板條狀及少量的塊狀α相，晶界α相弱化并保留。

2.3 TA31鑄造合金在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能

熱等靜壓處理溫度及退火溫度均低于β相的轉(zhuǎn)變溫度，其熱處理過程獲得的組織主要源于合金在熔煉澆注冷卻凝固時(shí)鑄造組織的遺傳。鈦合金從高溫緩慢冷卻時(shí),α相自β相中呈針狀析出，并與β相保持嚴(yán)格的晶體學(xué)位向關(guān)系，反復(fù)的轉(zhuǎn)變并不能破壞這一位向關(guān)系及其長(zhǎng)針形態(tài)，故鈦合金的魏氏組織具有頑強(qiáng)的遺傳性[4]，通過常規(guī)的熱處理很難改變其組織結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為不能通過熱處理對(duì)其強(qiáng)化，因此其供貨狀態(tài)通常為熱靜壓態(tài)或者退火態(tài)[5]。

TA31鑄造鈦合金同爐試樣在退火態(tài)和HIP狀態(tài)的力學(xué)性能見表2。表2中退火態(tài)及HIP態(tài)為同爐試樣，不同熱處理狀態(tài)；HIP態(tài)(批量)為近百爐次交付鑄件附鑄試樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果；鍛造及鍛造+退火數(shù)據(jù)為目前行業(yè)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果[1,3],可以看出，同爐試樣HIP態(tài)相對(duì)退火態(tài)強(qiáng)度稍低但塑性提高，其主要原因?yàn)門A31鑄造鈦合金經(jīng)熱等靜壓后，使其微觀組織發(fā)生粗化、針狀α相消失，組織更加均勻穩(wěn)定。

從表2還可發(fā)現(xiàn),TA31鑄造合金的強(qiáng)度與鍛件性能相近，因此TA31合金具有良好的鑄造綜合力學(xué)性能，在某些領(lǐng)域可以替代鍛造產(chǎn)品。

3、TA31鈦合金在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，TA31鈦合金已經(jīng)應(yīng)用于鑄件的試制和生產(chǎn)，尤其在船舶和特種車輛等領(lǐng)域。該類鑄件產(chǎn)品交付狀態(tài)通常為熱等靜壓態(tài)。根據(jù)該合金批量鑄件產(chǎn)品附鑄試樣的化學(xué)成分及力學(xué)性能檢測(cè)統(tǒng)計(jì).其化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其力學(xué)性能均滿足使用要求。所統(tǒng)計(jì)鑄件經(jīng)檢驗(yàn)，其表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量均符合相關(guān)技術(shù)條件的要求。鑄件經(jīng)過數(shù)次加工及相關(guān)試車試驗(yàn)，其強(qiáng)度、韌性及其使用性能均滿足使用要求。

由于TA31材料具有高強(qiáng)、高韌、可焊及耐蝕等綜合性能.其沖擊韌度明顯優(yōu)于ZTC4合金[4]，是一種理想的艦船鈦合金材料。而該合金鑄件綜合性能良好，相對(duì)于鍛造工藝，鑄造鈦合金屬于近凈成形，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更具多元化、成本更低且提高了生產(chǎn)效率.故具有更廣闊的應(yīng)用前景。

4、結(jié)論

(1)TA31鈦合金鑄造工藝性良好，生產(chǎn)的鑄件化學(xué)成分滿足GB/T3620.1-2016要求。

(2) 不同狀態(tài)的TA31鑄造鈦合金材料均具有良好的綜合力學(xué)性能，批量生產(chǎn)的TA31鑄件經(jīng)熱等靜壓處理后，其抗拉強(qiáng)度≥877 MPa,屈服強(qiáng)度≥754MPa,伸長(zhǎng)率≥10.5%,斷面收縮率≥14%。

(3) 采用TA31材料生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)鑄件經(jīng)檢驗(yàn)及試車質(zhì)量合格，滿足技術(shù)條件和使用要求。

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