1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

固溶处理对AMTi15-N合金组织和力学性能的影响

1 引言

伴随着世界经济的高速发展，我们人类正面临着资源短缺的难题。纵观全球，现有陆地能源与矿物资源的枯竭，已是为期不远的可怕现实。而占地球表面积约71%的蓝色海洋，可提供充足的食物和医药原料，蕴藏着丰富的矿产储量以及占全球总储量约 1/3 的石油、天然气；而海洋潮汐、海上风能和太阳能等的开发和利用，将为人类活动提供可持续发展的强劲动力[1]。开发海洋需要各种装备，而任何装备功能的实现都依赖于材料技术。海洋和陆地不同，海水与海洋大气中含有氯化物和硫化物，对机械装置材料腐蚀作用很大，而深海海水的强大压力，需求设备结构强度高，否则会出现失效。故海洋工程用设备构件，特别是在大深度海水中作业的构件，需要选用比强度高，比韧性好、耐海水腐蚀的材料加工制造[2]。

金属元素钛在地壳中的分布范围比较广泛，据估计和推算，其含量是地壳质量的0.4%还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居第10位（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛）。其丰富的储量，为金属钛及钛合金的生产和发展提供了主要的原料来源。

自20世纪50年代以来，钛及钛合金的发展已经历了半个多世纪的历程，钛合金的种类已从1954年的Ti-6Al-4V合金发展到数百种。因为具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，钛合金被广泛用于各个领域，包括航空航天、汽车制造、医药卫生以及其他日常生活领域。世界上的许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，得到了实际应用。

钛，被称为”海洋金属”[3]，其质轻、高强、无磁、耐蚀，特别突出的是耐海水和海洋大气腐蚀，是优异的轻型结构材料，尤其适用于作轻型海工装备用材。钛及钛合金在海洋工程中在推广应用，对提高海洋工程装备的作业能力、安全性、可靠性及技战术水平具有十分重要的意义，是建设海洋强国的重要 战略材料之一[4]。与钢铁、锈钢、铜、铝等常用材料相比，钛材最突出的特点是密度低、比强度高、耐蚀性强；同时还具有优良的耐海水冲刷、无磁性、无冷脆性、高透声系数及有优异的中子辐照衰减性能[14]。在塑性成形、铸造、焊接等方面，与其他常用金属材料一样，可以采用常规的方法进行加工成形，因而使钛金属材料对各类海洋工程具有广泛的适用性[5]。

钛及钛合金以其优异的性能特点在海洋工程方面有广阔的应用前景，我国海洋用钛合金已有较为完善的合金体系，并有一定的应用。但目前由于应用的性能数据支撑不充足，海洋工程结构件建造规则还不完善，加工设备能力不够、产品规格小以及材料生产成本高等诸多原因，海洋用钛合金尚存在产业化水平低、应用不足的问题。随着国家对海洋建设的重视，钛合金工程化应用程度的加快以及材料成本的降低， 未来海洋用钛将有非常大的发展空[6]。

2.国内海洋工程用钛合金分类、性能特点及应用

2.1国内海洋工程用钛合金分类

20世纪90年代以来，我国自主开发了多种海洋工程专用钛合金。经过几十年的发展，我国海洋用钛的研究及应用水平有了很大提高，已形成较为完善的合金体系，按合金屈服强度，可大致分成三个等级：(1) 低强钛合金(500 MPa 以下)；(2)中强钛合金(500~800 MPa)；(3) 高强度钛合金(800 MPa 以上)。 低强钛合金主要有工业纯钛(TA1-TA3)、TA9、TA10、TA16 等；中强钛合金主要有：TA17、TA22 (Ti-31)、 ZTA5、TA5-A、TA18、ZTi60、TA23 (Ti-70)、Ti-91、TA24 (Ti-75)等；高强钛合金主要有：ZTC4、TC4、Ti80、TC10、TC11、TiB19、TB9 等[7]。

2.2钛合金的三个加工性能

（1）切削加工性能。钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度[8]。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大，所以刀具切削刃承受的应力更大，刀尖或切削刃容易磨损。钛合金摩擦因数大，而热导率低，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。钛合金在切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易产生扩散磨损和粘结磨损。

（2）磨削加工性能。钛合金化学性质活泼，在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证[9]。砂轮磨损的同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。另外，钛合金热导率低、比热小，磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。

（3）挤压加工性能。对钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过快，同时应尽量缩短高温坯锭与模具的接触时间[10]。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料，坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的润滑剂，以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的[11-12]。

2.3海洋工程类钛合金的应用

由于钛及钛合金自身所具备的特性，使其在舰船以及海工装备的应用上具有得天独厚的优势，因而被广泛应用于核潜艇、深潜器、原子能破冰船、水翼船、气垫船、扫雷艇以及螺旋桨推进器、海水管路、冷凝器、热交换器等。如，我国的”和谐”号深海载人深潜器载人球壳的材料就是钛合金；美国、日本、俄罗斯等国深潜器的载人球壳的材料也是钛合金[13-15]。此外，钛还具有无磁性，能够提高探测仪器及工具的抗磁干扰能力，减小设备装备的磁物理场效应，增加隐蔽性，提高焊接质量和生产效率，这使其在舰船上的应用潜力进一步被发掘出来。配位不饱和的金属有机框架物遇到有配位能力的溶剂会与之配位;配位跑和的金属有机框架物业可能与有配位能力强的溶剂发生配体交换,对在溶液中研究金属有机框架物带来不便[16-18]。所以,应尽量避免使用含官能团、有配位能力的有机溶剂,而首选无配位能力的烃类。此外，金属有机框架物中的金属会对化合物波普性质产生不同程度的影响[19-22]。

此外，钛合金海洋油气的开发。石油是一个国家的经济命脉。据估计,世界可开采的石油资源储量为3000亿吨, 其中海底石油储量约为1300亿吨海底石油的开发,开始于 20 世纪初。它的发展经历了从近海到远海、从浅海到深海的过程。受技术条件和材料发展的限制,最初只能开采从海岸直接向浅海延伸的石油、天然气矿藏。20 世纪80 年代以来,在能源危机和技术进步的刺激下,近海石油勘探与开发飞速发展,海洋石油开发迅速向大陆架挺进,逐渐形成了崭新的近海石油工业部门。海上钻井平台是实施海底油气勘探和开采的工作基地,它标志着海底油气开发技术的水平。海上石油开采设备主要包括采油平台和附属设备,附属设备有原油冷却器、升油管、泵、阀、接头和夹具等。这些设备均与海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质接触。由于钛在这些介质中具有优异的耐蚀性,所以美国在上世纪70年代初就在其油田中使用了钛制造的近海石油平台支柱,同时用钛制造了列管式换热器和板式换热器。钛列管式换热器利用海水作为冷却介质,把从油井里抽出的高温汽/油混合物冷却。钛板式换热器也是利用海水作为冷却介质,把碳钢换热器内冷却原油的淡水冷却。美国在北海油田钻井平台上大约使用了 100 个钛热交换器。

位于英国苏格兰阿伯丁的亨廷油田服务公司订购的钛制部件据说是世界上第一个钛制高压立管式竖井,用于美国大陆石油公司(Conoco)挪威的Heldrum工程项目中。

钛钻探管的使用寿命较长,其重量仅为不锈钢的一半,而使用灵活性却是不锈钢的二倍,使用寿命为钢的 10倍。这些优异的性能使得钛成为一种用于钻探难度较大的近圆形、且深度深的油井的极佳材料。包含有钛钻探管的组合钻具可以极大地减少钻探时间、降低钻探总成本。美国的Grant Prideco公司、R TI能源系统公司及Torch 钻探服务公司在2000年首次将钛钻探管用于工业应用。

Grant Prideco公司和RTI能源系统公司共同生产和供应的钛钻探管还配有 Grant Prideco 抗疲劳公司提供的钢工具接头。这种接头的重量轻、使用灵活性好,且可以使钛钻探管坚固结实。

海水管道系统是海底石油开采不可缺少的部分,由于钛对海水具有很高的耐蚀性,其使用寿命为钢系的10倍,因此,钛管系的成本与 Cu-Ni系统相比是合算的。美国活性金属公司与精密管技术公司合办了一个钛管技术公司,生产一种大口径钛合金管。这种管子所使用的合金是 Ti-3A l-2.5V合金,口径为650m m ,壁厚为 22～25m m ,长度为 350m ,一根管子重达80～90t,计划用于海底石油开采。美国另一家公司利用长度为15m、外径为600mm、壁厚为25mm的无缝钛合金管通过挤压方法制成了近500m长的竖井管, 已经用于一个近海钻井平台。据称,这种竖井管的重量可以减轻一半,从而大大降低压载成本,另外,还具有很高的断裂韧性和较长的疲劳寿命。

在美国北海油田开发项目中,船上浮体装置和海底固定装置的用钛量比以前有所增加。24台船上浮体装置和 64 台海底固定装置对钛材的需求量为:安全保护装置 50～100t,连接装置 50～100t,通用升降设备400～1000t,钻杆1400～4200t。海上石油开采平台生物污染引起的结构件腐蚀是相当严重的,美国一家公司在开采平台上使用了钛管制成的长套管,对平台上的部位进行保护。在过去几年里,钛合金部件在石油钻探和海滨生产作业中的应用明显增加。钛合金部件使得石油钻探可以进入更深的水域和更深的油井,包括更高的温度和腐蚀严重(即多盐)的生产环境。对于这类应用,从综合性能来考虑,Ti-6A l-4V 基合金是最适用的,且成本最低。见表1[24]。

表1 钻井和海滨生产用的Ti-6Al-4V基合金部件

3.本次研究目的

本实验通过研究该合金的固溶处理工艺，获得合适的显微组织，使该合金得到良好的强度、塑性、韧性的匹配，从而优化该合金的力学性能，为该合金的在海洋工程中的实际应用提供实验依据。

4. AMTi15-N简介

AMTi15-N是南京工业大学先进金属材料研究院在Ti-B19合金基础上，参考国外优秀的钛合金，通过成分设计与优化，降低成本研发出强度更高的新型海洋用钛合金。其名义成分为Ti-3Al-5Mo-1Fe-4Cr-2Nb。该材料在未来有被应用于我国深海空间站工程（如耐压壳体）等的可能性。

Ti-B19是一种高强度强度亚稳定β型合金[23]，其具有良好的加工性能、高强度、高韧性和优良的海水耐腐蚀性能。而AMTi15-N是在其基础上通过优化成分与设计研发出来的强度更高的新型海洋用钛合金。

5.固溶处理对新型β钛合金的结构和组织的影响

5.1实验材料的制备

新型β钛合金化学组成为Ti-(4～6)Al-(5～8)V-(2～5)Zr-(2～3)Mo-(2～6)Cr-(2～5)Fe 经真空真自耗电弧炉熔炼→粗锻→精锻→热轧的生产工艺制成φ15mm 棒材，将棒材用电火花线切割机截取φ15 mm #215;13 mm 的试样，用于显微组织观察和相变点测定所需。 按体积比为10%HF∶30%HNO3∶60%H2O 配制腐蚀液。

5.2试验方法

采用连续升温金相法测定钛合金的相转变温度，根据计算法所计算的相变点值确定连续升温金相法的实验温度。实验中将试样分别在 680、690、700 和 710 ℃保温 30 min 后水冷， 采用光学显微镜观察其金相组织。实验中分别对试样在其相变点上、下进行固溶处理，将试样分别在 660、680、720 和 740℃保温 30 min后水冷，分别标记为试样 1#、2#、3#和 4#。 采用光学显微镜观察其金相组织， 并进一步使用扫描电镜在高倍数下观察相变点下加热后试样的显微组织。

5.3相转变温度的测定

钛合金的β相转变温度对于制定其热处理工艺和各热加工参数的选择有非常重要作用，因此对于一种新型β钛合金首先需要其相转变温度。 图 1(a)、(b)、(c)分别为680、690 和 700 ℃加热 30 min 后水冷的金相组织。可以看出，图 1(a)中长条状的初生α相含量最多， 但随加热温度的升高，组织中长条状α相开始逐渐溶解，相含量逐渐减少；由图1(d)可以明显看出，条状α相完全消失，完成由α相向β相的转变，最终得到单一的β晶粒组织。由此可认为，此合金的相转变温度为700~710℃， 根据经验试验中确定其相变点为705℃。

图1 不同温度淬火的金相组织

5.4固溶温度对合金组织的影响

对β钛合金的固溶处理来说，固溶温度常常选择在相转变点上下。图2为不同温度固溶处理后的金相组织。在相变点之下固溶处理时，如图中试样 1#和 2#，可观察到β基体上存在棒状和颗粒状的α相。随加热温度的升高，α相含量逐渐减少，初生α相已经完全溶解，从而得到单一的β相组织。另外还可看出，随加热温度的升高，平均晶粒尺寸开始逐渐长大。3#试样的晶粒尺寸为30μm左右，4#试样约为 90μm，因此一般β钛合金固溶温度选择在其相变点上下，并且温度不宜选择过高。对相变点以下固溶处理的试样进行扫描电镜观察，结果如图3所示。可看出，在相变点以下固溶处理后，从β相内析出细小的短棒状和针状的α相，随固溶温度的升高，析出的α相含量逐渐减少。

图2 不同固溶温度处理的金相组织

5.5实验结论

(1) 通过连续升温金相法测定该新型β钛 合金的相变点为 705℃。

(2)在相变点以下固溶处理后会在β基体上析出短棒状和针粒状的α相，并且随温度的升高，α 相含量减少。经相变点上固溶处理后可得到单一的β相组织。

图3 1＃和2＃试样的SEM组织

参考文献

[1]范丽颖, 刘俊玲, 安红. 钛在海洋工程上的应用现状及前景展望[J]. 中国金属通报, 2006.

[2]周廉等(2014)中国海洋工程材料发展战略咨询报告.化学工业出版社,北京.

[3]Yoshida S. Titanium and Its Alloys[J]. 2008, 57:2876-2892.

[4]Kosaka Y, Fox S P, Faller K, et al. Properties and processing of TIMETAL LCB[J]. Journal of Materials Engineering amp; Performance,2005,14(6):792-798.

[5]王鼎春.高强钛合金的发展与应用[J].中国有色金属学报, 2010,(S1):958-963.

[6]杨冬雨, 付艳艳, 惠松骁,等. 高强高韧钛合金研究与应用进展[J]. 稀有金属, 2011, 35(04):575-580.

[7]周廉等(2014) 中国海洋工程材料发展战略咨询报告. 化学工业出版社, 北京.

[8]Liu X L, Yang R, Yan Y Y, et al. Structural properties of TB19 heavy plate welded by electron beam welding[J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1):S748-S752.

[9]葛鹏, 赵永庆, 周廉. 一种新型高强度亚稳β钛合金Ti-B20[J]. 稀有金属材料与工程, 2005, (05):790-794.

[10]张虎.一种新型β钛合金的固溶处理试验研究[J]. 热加工工艺, 2014, (22):206-207.

[11]鲍如强, 黄旭, 曹春晓. Deformation behavior and mechanisms of Ti-1023 alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2006, 02(02):274-280.

[12]韩栋, 张鹏省,毛小南等. 两种典型热处理工艺对TC18钛合金组织性能的影响[J]. 钛工业进展, 2010, 26(6):19-22.

[13]常辉. Ti-B19合金的固态相变动力学及其组织演变规律[D]. 西北工业大学, 2006.

[14]Bhattacharjee A, Varma V K, Kamat S V, et al. Influence of β grain size on tensile behavior and ductile fracture toughness of titanium alloy Ti-10V-2Fe-3Al[J].Metallurgical amp; Materials Transactions A,2006, 37(5):1423-1433.

[15]赵永庆. 高温钛合金研究[J]. 钛工业进展, 2001, (1):33-39.

[16]Koss D A. Fatigue Crack Propagation in Ti Alloys.[J]. Fatigue Crack Propagation in Ti Alloys, 1978.

[17]Ankem S,Greene C A.Recent developments in microstructure/property relationships of beta titanium alloys[J]. Materials Science amp; Engineering A, 1999, 263(2):127#8211;131.

[18]王镐,李献军 (2012) 钛在海洋工程应用的最新进展. 中国钛业, 1, 11-14.

[19]张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用[M].北京:化学工业出版社,2005.

[20]陈国琳,吴鹏炜,冷文军,等.钛合金的发展现状及应用前景.舰船科学技术[J],2009,31(12).

[21]訾群.钛合金研究新进展及应用现状.钛工业进展[J],2008,25(2).

[22][德]C.莱茵斯,M.皮特尔斯编,陈振华等译.钛与钛合金[M].北京:化学工业出版社,2005,3.

[23]王桂生,田荣璋.钛的应用技术[M].长沙:中南大学出版社，2007:1-2.

[24]吴敏,张义译.船舶中的金属腐蚀.国防工业出版社:2003

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.本课题要研究内容

本课题要完成对新型高强高韧合金的初始组织进行观察，表征；测试出新型高强高韧合金的相变点；研究不同固溶处理参数对新型高强高韧钛合金组织演变的影响以及研究不同固溶处理参数对新型高强高韧钛合金机械性能（屈服强度、延伸率、断面收缩率等）的影响。

2.研究方法