劉鴻彥、徐曦榮、蔡娜
(南京寶色股份公司,江蘇 南京 211178)
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的具有自主知識產權的一種近α型中強、高韌、耐蝕、可焊的鈦合金,其在艦船、石油、化工、機械、生物工程等領域具有廣泛的應用前景。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合金優異的冷、熱加工性和低的雜質敏感性?,F已用于鹽水泵、大口徑流體輸送管、接管、換熱器等設備,在艦船上具有廣闊的應用前景[1-2]。
本文采用熱成形方法制備φ1400×36mm規格Ti75合金橢圓封頭,研究二次沖壓熱成形及高溫熱處理對Ti75合金封頭組織及性能的影響,為后續工業生產的工藝優化和改進提供技術支撐,以確保生產中的產品質量穩定可靠。
試驗材料采用真空自耗電弧爐進行二次熔煉,制備出合格的Ti75合金鑄錠,其頭、底部的化學成分檢測結果見表1。由表1可以看出,鑄錠不同部位成分的波動很小,化學成分滿足標準規定要求。采用DSC差熱分析法測得合金的相變點為950℃~955℃,鑄錠經相變點以上開坯鍛造,并經多火次改鍛、機加工扒皮及多次熱軋、熱處理、酸洗處理后制成的板材規格為1900×1900×38mm,其板材室溫力學性能見表2。由表2可以看出,板材不同方向測得的兩組力學性能數據雖有差異,但差異不大,滿足標準規定要求。
Ti75合金橢圓封頭熱成形試驗在1000噸水壓機上進行,采用定制的成形上模和下模分二次進行熱沖壓成形。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,加熱設備為箱式電阻爐,室溫板材進爐,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格為φ1400×36mm,變形比超11%。
Ti75合金封頭為標準橢圓形封頭,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量進行檢查;同時,需對其內、外表面進行滲透(PT)檢查,按NB/T47013.5標準,Ⅰ級合格;超聲波探傷(UT)檢查,按GB/T5193標準,A級合格。
另,Ti75合金封頭成形后需從與封頭結構件組裝焊接、熱處理后的隨爐試板上取力學拉伸試樣、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行,執行標準分別為GB/T 228.1-2010和GB/T 232-2010;沖擊試驗在擺錘式沖擊試驗機上進行,執行標準為GB/T 229-2007;硬度試驗在布氏硬度計上進行,執行標準為GB/T 231.1-2018。
圖1是熱成形制備的φ1400×36mm規格的Ti75合金橢圓封頭的照片。合金封頭內、外表面質量通過目視進行檢測。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
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。結果表明:Ti75合金橢圓封頭形狀明顯好于技術要求,其實際形狀偏差只有規定的1/3。同時,各項尺寸檢測數據也明顯好于技術要求,且由于封頭投料厚度較大,其成形后的實測厚度較技術要求的最小厚度32mm偏厚約4.5mm以上。
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成分。結果表明:Ti75合金橢圓封頭各主要化學成分與原材料基本保持一致,未發生明顯變化。O、N、H為雜質元素,對性能影響較大,含量增多,其力學性能提高,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,仍在標準范圍之內,符合原材料標準要求。
表1 Ti75合金化學成分(wt%)
表2 Ti75合金力學性能(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
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≥700℃終壓溫度熱成形并高溫熱處理(溫度800℃,保溫101分鐘)后,Ti75合金中等軸組織明顯增多,部分束狀組織經過再結晶轉變為等軸晶,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為熱成形后并經高溫熱處理后Ti75合金封頭隨爐試板室溫力學性能。結果表明:Ti75合金橢圓封頭隨爐試板各項性能均滿足相關材料標準,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;這是由于其經高溫熱處理后的等軸組織明顯增多,從而使得其屈服強度降低而塑性變大。
(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%,后續工業化生產時可將其投料厚度由現階段的38mm減薄至36mm,以有效減少資源浪費、降低生產成本;
(3)熱成形及后續的高溫熱處理對合金顯微組織及性能有一定的影響。沖壓熱成形并經800℃高溫熱處理后Ti75合金等軸組織增多,部分束狀組織轉變為等軸晶,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成分(wt%)
表5 Ti75合金封頭隨爐試板力學性能、硬度