摘要
钛合金具有高的比强度和优异的耐腐蚀性能，在海洋工程领域获得了越来越多的应用。我国的载人深潜器从7000米的“蛟龙号”，发展到4500米的“深海勇士号”（国产化程度高），最后到10909米全海深的“奋斗者号”，耐压壳体的钛合金材料也由800MPa级别的TC4（Ti-6Al-4V）合金，发展到900MPa级的Ti62A（Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-1V）合金。然而，无论是TC4合金还是Ti62A合金，焊接性能都不好，这极大限制了其在大型结构中的应用。相比而言，近α合金Ti80（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）焊接性能优异，在海洋工程和舰船领域获得越来越多的重视。然而，Ti80合金强度为785MPa左右，无法满足全海深潜水器的强度要求。本文在Ti80的基础上，通过Fe和微量B元素替代难熔金属Nb，设计出了900MPa级别的近α高强韧Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.1B合金，并在此基础上，研究0.5wt.%Mn元素添加对该合金组织和力学性能的影响规律。 本文使用真空自耗电弧炉（VAR）制备钛合金铸锭，采用两相区锻造成型工艺制备实验用样品，并通过热处理优化组织和力学性能。利用蔡司显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）等技术分析合金的微观组织演变，通过显微硬度、准静态拉伸/压缩和霍普金森压杆实验测试了合金的力学性能，得到的主要结论如下： （1）铸态Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.1B合金的组织多呈片层状，抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别为882MPa、711MPa和7.8%。添加了0.5Mn以后，合金的长径比和晶粒尺寸减小，组织中出现晶间α相，抗拉强度、屈服强度提高到966MPa和808MPa，延伸率下降到5.1%。 （2）锻态Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.1B合金组织呈短棒状，平均晶粒尺寸为4.58μm，抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别为966MPa、911MPa和16.36%，添加了0.5Mn以后，平均晶粒尺寸变化不大，达到4.25μm，抗拉强度、屈服强度提高到1079MPa和964MPa，延伸率仅有轻微下降，达到15.76%。 （3）Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.1B合金经过（975℃/1h，AC+550℃/4h，AC）双重热处理后，抗拉强度、屈服强度提高分别为1002MPa和912MPa，延伸率为15.1%。Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.5Mn-0.1B合金经过（965℃/1h，AC+550℃/4h，AC）双重热处理后，抗拉强度、屈服强度达到1059MPa和981MPa，延伸率为18.51%。 （4）Mn元素的添加能产生强烈的固溶强化及细晶强化效果，从而提升了合金强度。另一方面，Mn元素的添加会使得Al元素更加在α相集中，通过降低层错能（SPE）来保证合金的塑性。两种合金在双重热处理后，可以获得双态组织，从而获得了更高的强韧匹配性。 （5）使用霍普金森压杆（SHPB）研究了两种合金双态组织的动态力学性能，Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.1B在应变速率2820s-1时，最大抗压强度达1567MPa，冲击吸收功为515MJ·m-3，Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.5Mn-0.1B的应变速率为2720s-1时，最大抗压强度达1513MPa，冲击吸收功为450MJ·m-3。 （6）两种合金在高应变速率下均表现出应变硬化率效应，最大抗压强度、应变及冲击吸收功均随着应变率的增加而增大。两种合金在高应变速率下微观组织均表现出位错强化、小角度晶界强化以及大范围存在的变形诱发孪晶的现象。变形诱发孪晶能够细化晶粒，缩短位错滑移距离，从而提高了强度和塑性流动。 （7）构建了两种合金的Johnson-Cook本构方程：0Mn合金：σ=（1018+774?ε0.97）[1+0.013?ln((ε)/0.001)][1?(T-T0/Tm-T0)1.72]0.5Mn合金：σ=（1060+812?ε0.93）[1+0.019?ln(（δ）/0.001)][1?(T-T0/Tm-To)1.75]。
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