Ti-6321鈦合金大規格鍛板工程化制備研究

Ti-6321鈦合金名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，是我國自主研發的高強高韌近α型鈦合金，具有密度小、強度高、無磁、耐腐蝕和加工性能好等優點。在保證高強度的前提下，具有優異的沖擊韌性、斷裂韌性、抗應力腐蝕斷裂、低周疲勞和焊接性能，常用于潛艇和海洋領域的各類承力構件，也可作為深潛器耐壓球殼的優選材料。目前，關于Ti-6321合金棒材、板材和小規格鍛件的文獻報道相對較多。科研人員首次開展了作為載人深潛器耐壓球殼用新型Ti-6321鈦合金大規格鍛板的工程化制備研究，對所研制的大規格鍛板在不同位置和不同方向的組織、性能進行分析，以推進材料在我國自主生產的載人深潛器耐壓球殼方面的應用。

試驗材料選用經三次真空自耗電弧爐熔煉的Φ720mm規格Ti-6321鈦合金鑄錠。在鑄錠的頭部和底部分別橫向切片，并按照要求取樣，進行橫向主要化學元素成分和相變點檢測分析。

鑄錠采用45MN快鍛機經過相變點以上高溫開坯鍛造、相變點附近多火次反復鐓拔鍛造和兩相區成形鍛造，最終鍛至1100mm×1400mm×1700mm的大規格鍛板。

對所生產的Ti-6321大規格鍛板刨銑后進行100%超聲波探傷和著色滲透檢驗。然后在鍛板上切取95mm×170mm×200mm規格的樣塊，在RX箱式電阻爐按照970℃×2h，空冷的制度進行整體熱處理，然后在樣塊厚度方向的邊部和心部分別按照橫、縱向取樣進行室溫拉伸、室溫沖擊、彈性模量和斷裂韌性等性能測試和金相檢驗。試驗結果如下：

（1）使用的Ti-6321合金鑄錠頭部和尾部橫向化學成分均勻性良好，取樣點的主元素極差均小于0.2%。相變點檢測分析進一步表明，在Ti-6321合金鑄錠底部橫向切片上的心部、直徑/4和邊部處的相變點均為1000～1005℃，均勻性良好。

（2）Ti-6321合金大規格鍛板邊部和心部的橫、縱向室溫拉伸性能數據差異很小，不同厚度和方向的抗拉強度和屈服強度極差為22.5MPa，伸長率極差為3%，斷面收縮率極差為7%，表明所研制的大規格鍛板的室溫拉伸性能各向異性很小，具有良好的均勻性。在沖擊韌性方面，橫向和縱向邊部的沖擊韌性均比心部處略高，但都能滿足項目要求。鍛板不同厚度和方向的顯微組織差異也較小。

（3）所研制的Ti-6321合金大規格鍛板在500℃的高溫拉伸強度達到570MPa，屈服強度超過400MPa，伸長率19%，表明材料具有良好的高溫拉伸性能，可在500℃的高溫環境下保持較高的強度。Ti-6321大規格鍛板的彈性模量值約為105GPa（縱向與橫向平均值），與應用最為廣泛的鈦合金材料TC4（約110GPa）合金相比略低。鍛板的KIC值很高，達到130MPa?m1/2（縱向與橫向平均值），比TC4（約80MPa?m1/2）合金的明顯要高。鍛板在105℃下的冷彎性能、滲透檢驗結果均符合項目要求，探傷性能也良好。

研究結果表明，當前國內已具備載人深潛器耐壓球殼用新型T-i6321合金大規格鍛板的加工和生產能力，所研制的Ti-6321合金大規格鍛板是一種理想的海洋和艦船用鈦合金結構材料。