Ti-6321钛合金大规格锻板工程化制备

Ti-6321钛合金名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，是我国自主研发的高强高韧近α型钛合金，具有密度小、强度高、无磁、耐腐蚀和加工性能好等优点。在保证高强度的前提下，具有优异的冲击韧性、断裂韧性、抗应力腐蚀断裂、低周疲劳和焊接性能，常用于潜艇和海洋领域的各类承力构件，也可作为深潜器耐压球壳的优选材料。目前，关于Ti-6321合金棒材、板材和小规格锻件的文献报道相对较多。科研人员首次开展了作为载人深潜器耐压球壳用新型Ti-6321钛合金大规格锻板的工程化制备研究，对所研制的大规格锻板在不同位置和不同方向的组织、性能进行分析，以推进材料在我国自主生产的载人深潜器耐压球壳方面的应用。
试验材料选用经三次真空自耗电弧炉熔炼的Φ720mm规格Ti-6321钛合金铸锭。在铸锭的头部和底部分别横向切片，并按照要求取样，进行横向主要化学元素成分和相变点检测分析。
铸锭采用45MN快锻机经过相变点以上高温开坯锻造、相变点附近多火次反复镦拔锻造和两相区成形锻造，最终锻至1100mm×1400mm×1700mm的大规格锻板。
对所生产的Ti-6321大规格锻板刨铣后进行100%超声波探伤和着色渗透检验。然后在锻板上切取95mm×170mm×200mm规格的样块，在RX箱式电阻炉按照970℃×2h，空冷的制度进行整体热处理，然后在样块厚度方向的边部和心部分别按照横、纵向取样进行室温拉伸、室温冲击、弹性模量和断裂韧性等性能测试和金相检验。试验结果如下：
（1）使用的Ti-6321合金铸锭头部和尾部横向化学成分均匀性良好，取样点的主元素极差均小于0.2%。相变点检测分析进一步表明，在Ti-6321合金铸锭底部横向切片上的心部、直径/4和边部处的相变点均为1000～1005℃，均匀性良好。
（2）Ti-6321合金大规格锻板边部和心部的横、纵向室温拉伸性能数据差异很小，不同厚度和方向的抗拉强度和屈服强度极差为22.5MPa，伸长率极差为3%，断面收缩率极差为7%，表明所研制的大规格锻板的室温拉伸性能各向异性很小，具有良好的均匀性。在冲击韧性方面，横向和纵向边部的冲击韧性均比心部处略高，但都能满足项目要求。锻板不同厚度和方向的显微组织差异也较小。
（3）所研制的Ti-6321合金大规格锻板在500℃的高温拉伸强度达到570MPa，屈服强度超过400MPa，伸长率19%，表明材料具有良好的高温拉伸性能，可在500℃的高温环境下保持较高的强度。Ti-6321大规格锻板的弹性模量值约为105GPa（纵向与横向平均值），与应用最为广泛的钛合金材料TC4（约110GPa）合金相比略低。锻板的KIC值很高，达到130MPa•m1/2（纵向与横向平均值），比TC4（约80MPa•m1/2）合金的明显要高。锻板在105℃下的冷弯性能、渗透检验结果均符合项目要求，探伤性能也良好。
研究结果表明，当前国内已具备载人深潜器耐压球壳用新型T-i6321合金大规格锻板的加工和生产能力，所研制的Ti-6321合金大规格锻板是一种理想的海洋和舰船用钛合金结构材料。