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。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 。

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” ；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，通過添加廉價合金元素Fe，開發出的Timetal-125合金和Timetal-62S合金等。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；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 。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 。

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35mm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MTS810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

2.1Ti?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Φ255mm×2070mm。

通過對合金鑄錠進行圓形分層檢驗，即將Φ255mm的圓錠車成240，230，220和210mm，并沿錠長的間隔400mm進行環形取樣。化學成分（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。

2.1.23000kg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2245.00kg、Al板25.75kg，總重2270.75kg，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的位置進行化學成分取樣，試驗結果如圖4所示。化學成分（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/T3620.1—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　扁錠化學成分取樣圖

圖4　鑄錠化學成分分析

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。可以看出，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。

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

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。可以看出，當鍛坯厚度為200mm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/T3621—2007標準的要求。當鍛坯厚度降低到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/T3621—2007標準的要求。當鍛坯厚度進一步降低到50mm時，合金的顯微組織和力學性能變化不大，均能滿足GB/T3621—2007標準的要求。

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，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。可以實現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。

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107.3MPa·m1/2和53.7J，具有優異的綜合力學性能。

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TiAl-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≥1000MPa）、高韌（KIC≥80MPa·m^1/2以上）、優異的抗沖擊性能（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，均能滿足各項指標指標，通過了某車輛的跑車考核試驗。

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