1、实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期Ti70 合金板热成型组织性能研究李博，史新鑫，齐风华，田德厚，张玉国，王照国（中国船舶重工集团公司第七二五研究所（洛阳船舶材料研究所），河南 洛阳 471000）钛合金具有比强度高、韧性好、焊接性能好和耐腐蚀等众多优点，很好地满足了舰船材料所需的主要特性，完全具备舰船材料所要求的耐蚀、耐久、牢固、可靠和稳定等各种特殊性能要求1。因此，钛合金被誉为“海洋金属”，是海洋工程最有前途的金属材料之一2-3。舰船往往体型较大，所需材料用量很大，钛合金高昂的成本限制了其在舰船领域的规模化应用。中
2、船 725 所与701 所、宝鸡钛业股份有限公司合作研制了低成本的Ti70 钛合金，这种针对舰船应用的钛合金是在俄罗斯TA16 的基础上，通过添加廉价的 Fe 作为合金元素，调整 Al、Zr 含量，开发而成的近 中强钛合金，为钛合金在海洋领域的大规模应用提供了有利条件。Ti70 研制之初就被定位为船用结构材料，通常轧制为薄板作为结构件的壳板使用4-5。随后，经过冷成型/热成型、焊接和校型，得到最终产品。目前，虽然Ti70 已经得到规模化应用，但是由于对其热成型性能研究较少，导致成型曲面复杂程度受限，进而限制了Ti70 的应用。探究 4 mm 厚 Ti70 板材的热成型性能，结合组织演变规律对力
3、学性能的影响，进而实现组织对力学性能的调控，扩大 Ti70 的应用范围及规模。1试验材料及方法试验所用 4 mm 厚 Ti70 板材由双瑞精铸生产，采用交叉换向轧制方式在+两相区经过 2 个火次轧制而成，轧制后并进行成品退火热处理。成分见表 1。第一作者简介：李博（1993-），男，硕士，助理工程师。研究方向为钛合金加工工艺。摘要：该文通过室温拉伸、低温冲击、扫描电镜和透射电镜研究 4 mm 厚 Ti70 板材在 650、850 热成型后的组织性能。研究表明，650 热成型后，显微组织是 相+点状 相，平行于轧制方向的层内 相等轴程度不高，层间 相取向明显，组织与原始轧板相比并未发生明显改变；
4、850 热成型后，组织明显粗化，层内、层间初生 相都是等轴状，相数量明显增多、纵横比变大及内部有细层片状次生 相析出。热成型后的组织，晶粒尺寸变得粗大，等轴化程度也明显改善，这在一定程度上降低室温强度，并使得塑性性能略有提高；850 热成型后，晶间纵横比较大的 相、相内析出的细层片状次生 相使得板材冲击韧性大幅提高，冲击功达到原始轧板的 4.4 倍。关键词：Ti70；650 热成型；850 热成型；相；相；组织与性能中图分类号：TG146.2文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0069-04Abstract:In this paper,the microstructur
5、e and properties of 4 mm thick Ti70 sheet after thermoforming at 650 and 850 were studied by means of room temperature tension,low-temperature impact,scanning electron microscope and transmissionelectron microscope.The results show that after hot forming at 650,the microstructure is phase+point phas
6、e,theequiaxed degree of intralaminar phase parallel to the rolling direction is not high,and the orientation of interlaminar phase isobvious.The microstructure has no obvious change compared with the original rolled plate;after hot forming at 850,themicrostructure is obviously coarsening,the primary
7、 phase in the layer and interlayer is equiaxed,the number of phaseincreases obviously,the aspect ratio increases,and there is fine lamellar secondary phase precipitation inside.After hot forming,the grain size becomes coarse and the equiaxed degree is obviously improved,which to a certain extent red
8、uces the roomtemperature strength and slightly improves the plastic properties;after hot forming at 850,the phase with large vertical andtransverse ratio between grains and the fine lamellar secondary phase precipitated in the phase greatly improve the impacttoughness,and the impact work is 4.4 time
9、s higher than that of the original rolled plate.Keywords:Ti70;650 temperature thermoforming;850 thermoforming;phase;phase;microstructure and propertiesDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.01769-2023年9期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application钛合金弹性模量大，成型后易反弹，通常需要热成型，热成型温度与变形量成正比。为探究 Ti70 板材的热成型
10、性能，使用模具对 Ti70 板材进行中、高温成型：650、850热成型。利用 ZEISS Observer.Zlm 金相显微镜、SU8000 扫描电镜和 JEM-2100 透射电镜对热成型后板材的横截面（TD-ND 面，RD 为纵向，TD 为横向，ND 为法向）进行组织观察。利用 SINTECH20/G 材料试验机对板材横向试样进行室温拉伸性能检测，室温拉伸试验按 GB/T 228.12010金属材料 拉伸试验第 1 部分：室温试验方法 进行，采用 P7 试样，每个位置取2 个试样，取平均值。利用 ZBC2302-C 摆锤式冲击试验机对板材纵向试样进行低温冲击性能检测，冲击性能测试按照 GB/
11、T 2292007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法标准进行，试验温度-40，每组 3 个试样，取平均值。2试验结果及讨论2.1力学性能原始 Ti70 轧制板材的抗拉强度（Rm）和屈服强度（RP0.2）分别为 746 MPa 和 677 MPa，延伸率（）为22.5%，冲击功 KV2 为 12 J。图 1 为热成型前后的力学性能，从图 1 中可以看出，650 热成型后，屈服强度为556 MPa，与原始轧板相比下降了 18%，抗拉强度为708 MPa，并未发生明显下降，延伸率为 19.5%，与原始轧板相比下降了 13%，冲击功为 15 J，与原始轧板相比增加了 25%；850 热成型后，屈服强度为
12、523 MPa，与原始轧板相比下降了 23%，抗拉强度为 641 MPa，与原始轧板相比下降了 11%，延伸率为 18.5%，与原始轧板相比下降了 18%，但是冲击功却达到了 53 J，是原始轧板的 4.4 倍。随着热成型温度的提高，大致呈现出强度下降、塑性上升的趋势。强度与延伸率的下降很有可能是晶粒长大、加工硬化造成的，850热成型后冲击功的大幅增长可能是内部微观组织发生了较为明显的改变。2.2显微组织RD-TD 面内的组织状况如图 2 所示。650 成型时，显微组织是 相+相，相形状不规则、尺寸不均匀，相尺寸较小，点状分布；850 成型时，相变得粗大，出现联合长大现象，晶界断断续续，形状变
13、得规则，等轴度更高，相明显减少，除零星点状分布外，局部出现明显粗化且纵横比较大的片状 相。A1 Zr Fe Si C N H 0 2.630?0 1.930?0 0.972?0 0.021?0 0.024?0 0.006?2 0.001?8 0.088?0 表1板材的化学成分wt%-1TD-ND 面内的组织状况如图 3 所示。650 成型时，轧板层间 相呈条状分布，其中夹杂着点状 相，并未明显改变原始轧板的组织状况6-8；850 成型时，在板材内部出现了等轴 相与片状 相分层排布的状况，初生 相发生了明显的联合长大现象，片状 相方向不统一，组织明显粗化。Ti70 的相变点为 940955 7，
14、虽然 850 未达到相变点，但是在成型过程中，温度和较大的变形量共同促进了 相向 相的转化，可以清晰地看到部分 相仍处于向 相转化的过程中（如虚线框内所示），相晶界清晰可见，内部片状 相已见雏形。在透射电镜下发现了更加细微的差别，如图 4 所示。图 4（a）是沿 相1?21?6晶带轴看到的电子衍射花样，图 4（b）是沿 相001晶带轴看到的电子衍射花（a）屈服、抗拉强度（b）延伸率、冲击功图1热成型前后的力学性能RP0.2/Rm/MPa/%750700650600550500232221201918原始650 850 原始650 850 6040200KV2/JRP0.2RmKV270-实验报
15、告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期由于织构的存在，以及轧制后冷却过程中表层与内部冷却温度及冷却速率的不同，导致 RD-TD 面、TD-ND 面组织的差异。650 成型时，显微组织是 相+点状 相，平行于轧制方向的层内 相近似等轴，（a）650（b）850 图2热成型后RD-TD面内微观组织（a）650（b）850 图3热成型后TD-ND面内微观组织（a）650（b）850 图4热成型后透射电镜下的微观组织样。650 成型时，位错主要集中在 相内，相内位错不明显；850 成型时，相内位错明显减少，相内部并伴随有细层片状次生 相
16、的析出。HFWHVspotWDdetmag149 m20.00 kV 4.011.1 mmETD 2 000 x50 mHFWHVspotWDdemag149m20.00kV 4.012.2mm ETD2000 x50 m细层片状 错位 相衍射花样 相衍射花样2 m2 mHVCURTdetWDmagHFW20.00 kV0.80nAETD 15.1 mm2 000 x207 m50 mHVCURTdetWDmagHFW20.00 kV0.80nAETD18.2 mm2 000 x207 m50 m71-2023年9期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application尺寸不均匀，层间 相取向明显，组织与原始轧板相比并未发生明显改变。850 成型后，组织变得粗大，晶体取向发生明显变化，层内、层间初生 相都是等轴状，相数量明显增多、纵横比变大及内部有细层片状次生 相析出。这种组织形貌直接决定了材料的性能。1）晶粒尺寸变得粗大，等轴化程度也明显改善，这在一定程度上降低了室温强度，并使得塑性性能略有提高。2）初生 相联合长大后，晶界会变得断断续续，这