低成本鈦合金在車輛上的工程應用研究

商國強，王新南，雷云清，李明兵，祝力偉，朱知壽

（1.中國航發北京航空材料研究院先進鈦合金航空科技重點實驗室，北京 100095；2.青海聚能鈦金屬材料技術研究有限公司，青海 西寧 810007）

引言

隨著航空航天、裝甲車輛、艦船等工業的發展對高綜合性能、輕量化的設計使用要求，鈦及鈦合金因具有耐腐蝕、高比強度、高韌性和可焊接等性能特點，廣泛應用于航空航天、艦船、化工、醫療、體育、車輛等重要的工業領域［1-7］。隨著鈦及鈦合金在各大應用領域用量的逐步增長，其相對較高的使用成本已經成為阻礙其擴大應用的主要瓶頸。一方面由于我國的鈦資源稀貴，且海綿鈦生產需要消耗大量能源，造成原材料的價格居高不下；另一方面，鈦合金加工材料成材率較低，其中航空用鈦合金從材料到最終產品有效利用率僅為10%～15%，生產過程中產生的殘料未能合理使用造成資源的嚴重浪費和環境污染。因此，加工和使用成本已經成為制約其擴大應用的主要障礙，迫切需要發展低成本鈦合金材料及其加工技術，同時也是目前研究部門和生產企業致力突破的技術關鍵［8］。

從鈦合金成本來看，發展低成本鈦合金主要途徑有三條：一條是解決海綿鈦冶金提取的低成本化問題，即降低海綿鈦原材料的成本，如“USTB 工藝”［9］；另一條是采用較廉價的合金元素代替較貴的合金元素，降低原材料的成本。例如美國通過添加Fe-Mo 中間合金開發出的Timetal-LCB 合金［10-11］，通過添加廉價合金元素Fe，開發出的Timetal-125 合金［12］和Timetal-62S 合金［13］等。以及日本開發出的通過添加大量的O 和N 間隙元素降低鈦合金成本的Super-TIX 系合金［14］；第三條是降低合金制造成本和減少損耗。例如日本發展了超塑性鈦合金Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe，即SP-700 鈦合金［15］。該合金可以在低于800 ℃溫度下采用超塑成形和擴散連接技術，其超塑性成形溫度顯著低于Ti-6Al-4V 合金，從而降低了生產成本。

在鈦合金熔煉方面，電子束冷床爐熔煉（EB 爐）能夠大量使用經濟的原材料，如回收切削料（車削、邊角料等）。其殘料添加比例可達100%，從而有效降低了鑄錠成本。同時該工藝對低密度夾雜（LDI，即鈦合金鑄錠中偶爾存在的富氮或富氧的硬α 相夾雜缺陷）和高密度夾雜（HDI，如Nb，Mo，WC 等）均具有顯著的去除效果，不僅提高了熔煉過程中殘料的利用率，也提高了鑄錠的組織均勻性和表面質量，是一種可以生產高質量的優質純凈鈦合金的熔煉技術［16-18］。

在鈦合金加工技術方面，基于電子束冷床爐熔煉的鈦合金扁錠可以不經過制坯過程而直接軋制成型的特點，可以直接進行板材的短流程軋制，代替多次真空自耗爐熔煉+多次軋制工藝試制的板材產品。從而實現了鈦合金傳統工藝中開坯鍛造和后續軋制變形的有效結合，因此縮短了工藝流程，節約了加工成本，在軍用和民用領域得到有效推廣應用。

本文在相關項目的支持下，開展了低成本鈦合金在車輛上的工程應用研究。采用100%添加返回料+EB 爐熔煉+短流程軋制工藝制備了車輛用不同規格的板材，同時采用具有較高斷裂韌度和優良的加工性能的Ti12M 低成本高性能鈦合金制備了車輛用平衡肘鍛件，經試車考核，均能滿足相關技術要求。

1 試驗材料與方法

本文采用產自烏克蘭的3150kW 型EB 爐完成了Ti-Al-V 系低成本鈦合金鑄錠熔煉。其采用的原材料為100%的返回料（具體為TC4 和TC4-DT 鈦合金）以及少量Al 板，后續采用鑄錠直接軋制的短流程軋制工藝，制備了項目所需的厚度分別為6，8，15，20 以及35 mm 等規格的板材。分析了每軋制火次后的高低倍組織和力學性能。同時采用Ti12M高性能低成本鈦合金，制備了車輛用平衡肘鍛件。

通過線切割的方法從經過熱處理的板材和平衡肘鍛件上截取試驗所需顯微組織、拉伸試樣、沖擊試樣和斷裂韌度試樣。金相試樣采用化學成分配比為1HF-2HNO3-50H2O（vol%）的Kroll 試劑腐蝕，利用OLYMPUS/PMG3 型光學顯微鏡進行顯微組織分析；采用Instron4507 電子萬能試驗機進行拉伸性能測試；采用JB30B 沖擊試驗機進行沖擊性能測試；采用MTS 810 液壓伺服疲勞試驗機進行斷裂韌度測試。

2 試驗結果與分析

2.1 Ti-Al-V 系低成本鈦合金EB 爐熔煉

2.1.1 500 kg 級EB 爐圓錠工藝參數驗證試驗

為了探索并驗證EB 爐熔煉對Ti-Al-V 系鈦合金元素揮發、成分均勻性與EB 爐熔煉參數之間的關系，本文采用國產EB 爐，以“海綿鈦+中間合金”的方式開展了500 kg 級“一次VAR+一次EB”熔煉的Ti-Al-V 系低成本鈦合金圓錠試制工作。其中合金元素V 的配入比例為4.0%，合金元素Al 通過氣液相平衡和修正后的Langumir 模型計算，其配入值為7.03%。在熔煉過程中，采用的熔煉速度為700 kg/h，1～7 號電子槍的功率分別為：154.84，84.51，154.29，106.63，138.15，76.61 和29.29 kW。熔煉的過程中盡量保持穩定，以保證熔煉成分的整體均勻性。整體的拉錠盡量保持著均勻，熔煉后鑄錠規格為Φ255 mm×2070 mm。

通過對合金鑄錠進行圓形分層檢驗，即將Φ255 mm 的圓錠車成240，230，220 和210 mm，并沿錠長的間隔400 mm 進行環形取樣?；瘜W成分（質量分數）測試結果表明，Al 元素化學成分的實測范圍為5.78%～6.39%，V 元素化學成分的實測范圍為3.98%～4.21%，能滿足相關標準的要求。

2.1.2 3000 kg 級EB 爐扁錠試驗驗證

在采用“海綿鈦+中間合金”配料壓電極方式EB 爐熔煉的基礎上，進一步采用全部添加返回料試驗方案進行了Ti-Al-V 系低成本鈦合金EB 爐熔煉工藝的驗證工作。本次試驗所用TC4 合金廢料2245.00 kg、Al 板25.75 kg，總重2270.75 kg，采用“TC4 廢料+Al 板”分層疊加的方式進行擺料，原材料物料擺放實況如圖1 所示，最終鑄錠如圖2 所示。鑄錠尺寸為1100 mm×1360 mm×360 mm。

圖1 EB 爐熔煉原材料擺放Fig.1 EB furnace smelting raw material placement

圖2 EB 爐熔煉Ti-Al-V 系低成本鈦合金扁錠Fig.2 Ti-Al-V series low cost titanium alloy slab ingots melted by EB furnace

將獲得的Ti-Al-V 系低成本鈦合金扁錠在寬度方向上一分為二，并按圖3 的位置進行化學成分取樣，試驗結果如圖4 所示?；瘜W成分（質量分數）測試結果表明，扁錠所有取樣點的Al，V，Fe 和C 等元素檢測值均符合GB/T 3620.1—2016 的要求，其中Al 元素含量平均值為6.03%，標準偏差為0.17%，局部接近標準下限；V 元素含量平均值為4.01%，標準偏差為0.09%，整體均勻，滿足國家標準要求。

圖3 扁錠化學成分取樣圖Fig.3 Sampling diagram of chemical composition of slab ingot

圖4 鑄錠化學成分分析Fig.4 Ingot chemical composition analysis

圖5 鑄錠及鍛坯低倍組織Fig.5 Macrostructure of ingot and forging billet

2.2 Ti-Al-V 系低成本鈦合金短流程軋制

為了獲得EB 爐熔煉扁錠短流程直接軋制過程中的組織性能演變過程，試驗按每火次軋制變形量為50%進行控制，分析了每軋制火次后的高低倍組織和力學性能。采用EB 爐熔煉直接軋制研制的各規格板材成功通過某車輛炮塔體的考核試驗。

2.2.1 低倍組織演變

Ti-Al-V 系低成本鈦合金鑄錠以及各火次軋制后的鍛坯低倍組織如5 所示?？梢钥闯?，鑄錠低倍組織為粗大的等軸晶粒，經后續開坯和軋制后，晶粒逐漸變細，由粗大的等軸晶漸變為模糊晶組織，細化效果比較明顯。

2.2.2 顯微組織演變

Ti-Al-V 系低成本鈦合金鑄錠以及各火次軋制后的鍛坯低倍組織如圖6 所示?？梢钥闯?，鑄錠顯微組織為粗大的晶粒，經后續開坯和軋制后，晶粒逐漸變細，由粗大的片層組織逐漸變為等軸組織，細化效果比較明顯。

圖6 鑄錠及鍛坯顯微組織Fig.6 Microstructure of ingot and forging billet

2.2.3 力學性能演變

Ti-Al-V 系低成本鈦合金鑄錠經各火次軋制后的鍛坯低倍上切取了拉伸試樣和沖擊試樣，測試結果如圖7 和圖8 所示?？梢钥闯?，當鍛坯厚度為200 mm 時，其晶粒細化不充分，粗大的晶粒導致合金拉伸性能和沖擊性能偏低，均低于GB/T 3621—2007 標準的要求。當鍛坯厚度降低到100 mm 時，晶粒獲得了充分破碎，由粗大的片層組織演變為等軸組織，合金的拉伸性能和沖擊均獲得了大幅度提高，滿足了GB/T 3621—2007 標準的要求。當鍛坯厚度進一步降低到50 mm 時，合金的顯微組織和力學性能變化不大，均能滿足GB/T 3621—2007 標準的要求。

圖7 Ti-Al-V 系低成本鈦合金鍛坯室溫拉伸性能Fig.7 Tensile properties of Ti-Al-V low cost titanium alloy forgings

圖8 Ti-Al-V 系低成本鈦合金鍛坯沖擊功Fig.8 Impact power of Ti-Al-V low cost titanium alloy forgings

2.3 低成本高性能鈦合金平衡肘研制

低成本高性能鈦合金是中國航發航材院研制的一種具有自主知識產權的新型中高強韌Ti12M 鈦合金［19-20］，該合金突出特點是具有高強高韌耐沖擊抗疲勞等高綜合性能，特別適合做結構材料。Ti12M 鈦合金自合金研發階段就引入低成本設計理念，合金不含價格高昂的V 元素和易偏析的Fe 元素，避免了含Fe 偏析而造成成品率低的難題。高韌性的特征使其在熱加工過程中不易開裂，火次間無需打磨，因此大大減少加工成本，縮短了加工流程，同時延長了構件使用壽命?？梢詫崿F相比同類型合金棒材成本降低30%以上、鍛件成本降低35%以上的低成本目標。

在研制車輛用平衡肘鍛件鍛造工藝時，采用“鑄錠開坯鍛造+鍛坯均勻性變形+拔長+胎膜模鍛”的工藝路線代替傳統的“鑄錠開坯鍛造+鍛坯均勻性變形+棒材成形+墩粗和拔長+多火次整形”工藝路線，加之低成本高性能鈦合金具有的高斷裂韌度特性，提高了鍛件成材率，降低了能源消耗，從而降低了成本。研制的平衡肘鍛件如圖9 所示，經500 h 跑車試驗，低成本高性能平衡肘鍛件通過了某車輛的跑車考核試驗。

圖9 研制的低成本高性能鈦合金平衡肘鍛件Fig.9 The low cost and high performance titanium alloy balance elbow forgings were developed

低成本高性能鈦合金經短流程鍛造加工后的平衡肘鍛件顯微組織如圖10 所示。從圖10 可以看出，平衡肘鍛件顯微組織為典型雙態組織，所有的原始β 晶界均獲得了充分破碎，無過熱組織存在。

圖10 低成本高性能鈦合金平衡肘鍛件顯微組織Fig.10 Microstructure of low cost high performance titanium alloy balance elbow forgings

低成本高性能鈦合金平衡肘鍛件的拉伸試樣如圖11 所示。從圖11 可以看出，平衡肘鍛件各方向室溫拉伸性能均能滿足項目指標要求，均勻性較好，同時其斷裂韌度和沖擊功分別高達107.3 MPa·m1/2和53.7 J，具有優異的綜合力學性能。

圖11 低成本高性能鈦合金平衡肘鍛件室溫拉伸性能Fig.11 Tensile properties of low cost and high performance titanium alloy balance elbow forgings

3 結束語

（1）通過控制熔煉過程中的工藝參數，實現了添加100%返回料的的EB 爐扁錠的熔煉，研制的Ti-Al-V 系低成本鈦合金鑄錠各部位化學成分均能滿足國家標準要求，其中Al 元素含量平均值為6.03%，標準偏差為0.17%，局部接近標準下限；V元素含量平均值為4.01%，標準偏差為0.09%，整體均勻。

（2）通過分析EB 爐熔煉扁錠短流程直接軋制過程中Ti-Al-V 系低成本鈦合金的組織性能演變過程，采用EB 爐熔煉扁錠直接軋制的方式，可以獲得滿足國家標準要求板材，且采用短流程軋制研制的板材成功通過某車輛炮塔體的考核試驗。

（3）低成本高性能鈦合金具有高強度（Rm≥1000 MPa）、高韌（KIC≥80 MPa·m1/2以上）、優異的抗沖擊性能（KU2≥50 J）和抗疲勞性能（R=-1 時σD為530 MPa）性能，采用“鑄錠開坯鍛造+鍛坯均勻性變形+拔長+胎膜模鍛”的短流程工藝路線，成功研制了車輛用平衡肘鍛件，均能滿足各項指標指標，通過了某車輛的跑車考核試驗。