引言
隨著航空航天、裝甲車輛、艦船等工業(yè)的發(fā)展對高綜合性能、輕量化的設(shè)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(yīng)用于航空航天、艦船、化工、醫(yī)療、體育、車輛等重要的工業(yè)領(lǐng)域。隨著鈦及鈦合金在各大應(yīng)用領(lǐng)域用量的逐步增長，其相對較高的使用成本已經(jīng)成為阻礙其擴大應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)品有效利用率僅為10%~15%，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘料未能合理使用造成資源的嚴(yán)重浪費和環(huán)境污染。因此，加工和使用成本已經(jīng)成為制約其擴大應(yīng)用的主要障礙，迫切需要發(fā)展低成本鈦合金材料及其加工技術(shù)，同時也是目前研究部門和生產(chǎn)企業(yè)致力突破的技術(shù)關(guān)鍵 。
從鈦合金成本來看，發(fā)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” ；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(fā)出的Timetal-LCB合金，通過添加廉價合金元素Fe，開發(fā)出的Timetal-125合金和Timetal-62S合金等。以及日本開發(fā)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；第三條是降低合金制造成本和減少損耗。例如日本發(fā)展了超塑性鈦合金Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe，即SP-700鈦合金 。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(shù)，其超塑性成形溫度顯著低于Ti-6Al-4V合金，從而降低了生產(chǎn)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(jīng)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(dá)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(zhì)量，是一種可以生產(chǎn)高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)純凈鈦合金的熔煉技術(shù) 。
在鈦合金加工技術(shù)方面，基于電子束冷床爐熔煉的鈦合金扁錠可以不經(jīng)過制坯過程而直接軋制成型的特點，可以直接進(jìn)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(chǎn)品。從而實現(xiàn)了鈦合金傳統(tǒng)工藝中開坯鍛造和后續(xù)軋制變形的有效結(jié)合，因此縮短了工藝流程，節(jié)約了加工成本，在軍用和民用領(lǐng)域得到有效推廣應(yīng)用。
本文在相關(guān)項目的支持下，開展了低成本鈦合金在車輛上的工程應(yīng)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(guī)格的板材，同時采用具有較高斷裂韌度和優(yōu)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(jīng)試車考核，均能滿足相關(guān)技術(shù)要求。
1、試驗材料與方法
本文采用產(chǎn)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(xù)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35mm等規(guī)格的板材。分析了每軋制火次后的高低倍組織和力學(xué)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(jīng)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(xué)成分配比為1HF-2HNO3-50H2O（vol%）的Kroll試劑腐蝕，利用OLYMPUS/PMG3型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析；采用Instron4507電子萬能試驗機進(jìn)行拉伸性能測試；采用JB30B沖擊試驗機進(jìn)行沖擊性能測試；采用MTS810液壓伺服疲勞試驗機進(jìn)行斷裂韌度測試。
2、試驗結(jié)果與分析
2.1Ti?Al?V系低成本鈦合金EB爐熔煉
2.1.1500kg級EB爐圓錠工藝參數(shù)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?fù)]發(fā)、成分均勻性與EB爐熔煉參數(shù)之間的關(guān)系，本文采用國產(chǎn)EB爐，以“海綿鈦+中間合金”的方式開展了500kg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700kg/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29.29kW。熔煉的過程中盡量保持穩(wěn)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(guī)格為Φ255mm×2070mm。
通過對合金鑄錠進(jìn)行圓形分層檢驗，即將Φ255mm的圓錠車成240，230，220和210mm，并沿錠長的間隔400mm進(jìn)行環(huán)形取樣。化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）測試結(jié)果表明，Al元素化學(xué)成分的實測范圍為5.78%~6.39%，V元素化學(xué)成分的實測范圍為3.98%~4.21%，能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2.1.23000kg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(chǔ)上，進(jìn)一步采用全部添加返回料試驗方案進(jìn)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2245.00kg、Al板25.75kg，總重2270.75kg，采用“TC4廢料+Al板”分層疊加的方式進(jìn)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1100mm×1360mm×360mm。
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(jìn)行化學(xué)成分取樣，試驗結(jié)果如圖4所示。化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）測試結(jié)果表明，扁錠所有取樣點的Al，V，F(xiàn)e和C等元素檢測值均符合GB/T3620.1—2016的要求，其中Al元素含量平均值為6.03%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.17%，局部接近標(biāo)準(zhǔn)下限；V元素含量平均值為4.01%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.09%，整體均勻，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖1EB爐熔煉原材料擺放
圖2EB爐熔煉Ti-Al-V系低成本鈦合金扁錠
圖3 扁錠化學(xué)成分取樣圖
圖4 鑄錠化學(xué)成分分析
2.2Ti?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(jìn)行控制，分析了每軋制火次后的高低倍組織和力學(xué)性能。采用EB爐熔煉直接軋制研制的各規(guī)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。可以看出，鑄錠低倍組織為粗大的等軸晶粒，經(jīng)后續(xù)開坯和軋制后，晶粒逐漸變細(xì)，由粗大的等軸晶漸變?yōu)槟：ЫM織，細(xì)化效果比較明顯。
圖5 鑄錠及鍛坯低倍組織
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。可以看出，鑄錠顯微組織為粗大的晶粒，經(jīng)后續(xù)開坯和軋制后，晶粒逐漸變細(xì)，由粗大的片層組織逐漸變?yōu)榈容S組織，細(xì)化效果比較明顯。 圖6 鑄錠及鍛坯顯微組織
2.2.3 力學(xué)性能演變 Ti-Al-V系低成本鈦合金鑄錠經(jīng)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(jié)果如圖7和圖8所示。可以看出，當(dāng)鍛坯厚度為200mm時，其晶粒細(xì)化不充分，粗大的晶粒導(dǎo)致合金拉伸性能和沖擊性能偏低，均低于GB/T3621—2007標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)鍛坯厚度降低到100mm時，晶粒獲得了充分破碎，由粗大的片層組織演變?yōu)榈容S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/T3621—2007標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)鍛坯厚度進(jìn)一步降低到50mm時，合金的顯微組織和力學(xué)性能變化不大，均能滿足GB/T3621—2007標(biāo)準(zhǔn)的要求。
圖7Ti-Al-V系低成本鈦合金鍛坯室溫拉伸性能
圖8Ti-Al-V系低成本鈦合金鍛坯沖擊功
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(fā)航材院研制的一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型中高強韌Ti12M鈦合金，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(jié)構(gòu)材料。Ti12M鈦合金自合金研發(fā)階段就引入低成本設(shè)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F(xiàn)e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(gòu)件使用壽命。可以實現(xiàn)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(biāo)。
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?zhèn)鹘y(tǒng)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(jīng)500h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
低成本高性能鈦合金經(jīng)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(tài)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。
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(biāo)要求，均勻性較好，同時其斷裂韌度和沖擊功分別高達(dá)107.3MPa·m1/2和53.7J，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。
圖10 低成本高性能鈦合金平衡肘鍛件顯微組織
圖11 低成本高性能鈦合金平衡肘鍛件室溫拉伸性能
3、結(jié)束語
（1）通過控制熔煉過程中的工藝參數(shù)，實現(xiàn)了添加100%返回料的的EB爐扁錠的熔煉，研制的TiAl-V系低成本鈦合金鑄錠各部位化學(xué)成分均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，其中Al元素含量平均值為6.03%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.17%，局部接近標(biāo)準(zhǔn)下限；V元素含量平均值為4.01%，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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≥1000MPa）、高韌（KIC≥80MPa·m1/2以上）、優(yōu)異的抗沖擊性能（KU2≥50J）和抗疲勞性能（R=?1時σD為530MPa）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(biāo)指標(biāo)，通過了某車輛的跑車考核試驗。
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