TA31钛环

TA31钛环是以Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo近α型深海高强高韧钛合金为基材、经β单相区多火次镦拔开坯+两相区改锻+碾环/扩环成形+退火处理制成的大型环状承力锻件。该合金市场俗称Ti80，是国内自主研发的875MPa级耐蚀可焊结构钛合金，兼具高强度、高断裂韧性、优异抗海水腐蚀性能和低温韧性，专为深海高压、海水强腐蚀工况开发。2026年6月，兰石重装超合金公司承制的深海装备用TA31钛合金大型环件正式交付，该产品壁厚大、尺寸超常，兼具耐腐蚀、高韧性、无磁及透声性等“全能型”性能，完全满足深海极端环境需求。针对大壁厚变形难控制、成型易偏心、表面开裂、成材率低等行业痛点，企业依托快锻液压机等高端装备，通过反复精算加热温度、锻造火次和变形量，独创大厚壁环件工艺方案- 。陕西中恒钛航材料科技有限公司（宝鸡）主营TA31钛棒及钛合金环锻件，可生产饼锻件、环锻件、方块锻件、轴类锻件，支持按图纸定制，退火温度为890～920℃，可出具材质单和UT探伤报告。以下按维度展开。

一、定义与材质

牌号关系说明。 TA31与Ti80为同一合金的不同称谓体系。GB/T 3620.1-2016将TA31列为新增近α合金牌号，而军工和工程领域长期沿用“Ti80”这一俗称。中恒钛航产品页面明确标注“Ti80国标牌号TA31，是国内自主研发875MPa级高强韧近α型钛合金”。在国际标准中，该合金常被对应为Ti-6321。与TA7（Ti-5Al-2.5Sn）相比，TA31以Nb替代部分Sn并添加Zr和Mo，使强度提升约40%，同时保持近α型合金的焊接性和耐蚀性。

二、性能特点

TA31最突出的性能优势在于高强度与高韧性的匹配以及深海环境适应性。屈服强度875MPa级的设计使其耐压深度显著优于TC4ELI，冲击吸收功要求≥47J，优化工艺条件下可达108.81J，足以抵御深海高压和冲击载荷。经870℃固溶1h处理后，冲击试样（V型口）冲击吸收功达到108.81J，其中以裂纹扩展力为主，表明该合金在深海结构件中具有优异的止裂能力。无磁和透声性使TA31环件可同时满足舰船隐身设计和声学探测装备的需求，这是普通结构钛合金所不具备的“功能-结构一体化”特性。

需特别关注的是TA31环件的冲击韧性各向异性。环轧过程中晶粒沿环向拉长，导致圆柱壳形环件不同方向的冲击韧性存在差异- 。在环件成形工艺设计中，需通过控制碾环温度和变形速率来优化晶粒取向分布，使环向与径向的韧性差异控制在可接受范围内。600℃循环热处理研究表明，经过6次循环热处理后，TA31的屈服强度和抗拉强度均略微增加，但冲击韧性明显下降，因此在深海承力环件的热处理制度选择中需避免反复循环加热。

三、执行标准

GJB 943A-2018将TA31纳入舰船用钛合金锻件体系，明确要求冲击吸收功≥47J，超声波探伤缺陷阈值从φ4mm收紧至φ2mm，严于ASTM B348，以保障深海耐压部件的可靠性。GB/T 35364-2017《潜水器用TA31合金锻件》是TA31钛环作为深海装备环件的专用标准，对锻件的化学成分、力学性能、无损检测和表面质量提出了系统要求- 。中恒钛航的TA31锻件产品执行GB/T 2965-2023、GB/T 35364-2017及GJB 2744A等标准，可提供材质证明书、UT探伤报告和力学性能检测报告。

四、加工工艺

TA31钛环的加工以“β单相区多火次镦拔开坯→近β两相区改锻→碾环/扩环成形→退火”为主线。与TA7钛板（以轧制为主）和Ti80钛方块（以镦拔锻造成形为主）不同，环件的核心成形工序是碾环（ring rolling），需在相变点以下100～150℃的温度区间内进行。

对于大壁厚TA31钛环，兰石重装的工艺实践表明，核心难点在于变形均匀性和防开裂。技术团队从加热温度、锻造火次到变形量反复精算，依托125MN快锻液压机的大吨位压力保证坯料在低温高变形抗力条件下的可锻性- 。专利CN114433765B公开的TA31锻造工艺通过控制拔长变形方式——先将坯料压扁至厚宽比1:2，再归方、滚圆——有效解决了常规拔长过程中棒坯心部组织变形不充分、内外组织差异大的问题。该工艺制备的TA31钛合金材经热处理后组织均匀细小，满足GJB 943A-2018和GJB 9571-2018对TA31钛合金材的要求。

碾环工序中，环形坯需在相变点以下100～150℃的温度下按有效截面尺寸以0.7 min/mm的保温系数保温后，通过轧制碾环至工艺设计尺寸，空冷后得到环件- 。对于深海装备用大型环件，退火温度的选择需在强度与韧性之间取得平衡：900℃左右退火可获得抗拉强度873MPa、屈服强度785MPa、伸长率12.8%的综合性能。

五、关键技术

（1）大壁厚环件变形均匀性控制技术。 深海装备用TA31钛环面临大壁厚变形难控制、成型易偏心、表面开裂等行业痛点- 。关键技术在于通过有限元模拟与工艺试验相结合，精确设计碾环过程中的温度场、应变场和金属流动路径，使环件壁厚偏差控制在设计公差内，同时避免因局部应变过大导致的表面开裂。

（2）环件冲击韧性各向异性调控技术。 环轧过程中晶粒沿环向拉长，导致冲击韧性呈各向异性- 。通过控制碾环温度接近相变点以下100℃的高温区间、优化道次变形量分配，可促进动态再结晶，使晶粒取向趋于随机化，减小环向与径向的韧性差异。

（3）氧含量与组织形貌协同调控技术。 TA31的强度与冲击韧性对氧含量和微区成分均匀性高度敏感。专利技术通过控制海绵钛中氧含量为0.045%～0.046%，避免因添加少量TiO₂中间合金导致的微区化学成分不均匀和性能不稳定现象，在保证强度余量的同时确保了冲击韧性的稳定。

（4）近β两相区改锻组织细化技术。 在Tβ-15℃进行多次改锻和拔长变形，获得的β转变体内部α集束更为细小，明显提升了TA31钛合金材的强度及冲击韧性，且有效降低了因微区成分差异导致的组织不均匀、性能不稳定现象。

（5）超大环件的防开裂与成材率提升技术。 兰石重装依托125MN快锻液压机，通过优化锻造温度、火次和变形量参数，自研专属成型工艺，一举破解成材率偏低等难题，验证了钛合金大厚壁环件全链条制造能力。

六、加工流程

TA31钛环的完整加工流程如下：

原料准备（海绵钛O含量0.045%～0.046% + 中间合金）→ 真空等离子焊接电极块 → 三次VAR熔炼 → 铸锭扒皮、切冒口 → β单相区三次镦拔开坯（1150℃/1050℃/1050℃，锻比7.2/5.0/7.2）→ 近β两相区两次改锻（Tβ-15℃，锻比6.8）→ 拔长变形（Tβ-15℃，压扁至厚宽比1:2后归方、滚圆）→ 自由锻成型（Tβ-35℃）→ 碾环成形（相变点以下100～150℃，保温系数0.7 min/mm）→ 退火处理（890～920℃）→ 精密加工（环件定尺切割）→ 无损检测（UT探伤，缺陷阈值≤φ2mm）→ 成品检验 → 入库。

在碾环成形阶段，环形坯的加热均匀性和保温充分性对壁厚均匀性至关重要。对于超大直径环件，需采用多点测温监控确保坯料温度均匀，避免因局部温度偏低导致的变形抗力差异和壁厚偏心。退火后的环件需进行尺寸精度检测和力学性能取样测试，重点验证冲击吸收功是否满足GJB 943A的≥47J要求。

七、TA31钛环与TA7钛板/Ti80钛方块/Ti55531钛方块/Ti65钛方块的对比

TA31钛环与Ti80钛方块为同一合金体系的不同产品形态。Ti80方块以镦拔锻造成形，适用于耐压壳体的分瓣冲压或整体锻造；TA31环件以碾环成形，适用于需要环形整体结构的承力部件。环件成形的核心优势在于金属流线沿环向连续分布，环向力学性能优异，且材料利用率高于方块机加工成环的方案。但环件成形也带来了冲击韧性各向异性和大壁厚变形控制等特有工艺难题，需要专门的碾环工艺方案加以解决。

在中恒钛航的产品体系中，Ti80钛方块和TA31钛环均以“Ti31/Ti80”品牌供应，锻件规格覆盖饼锻件、环锻件、方块锻件和轴类锻件，退火温度统一为890～920℃。这表明在工程实践中，TA31（Ti80）合金的方块和环件共享同一热处理制度平台，产品形态的选择取决于最终部件的结构需求。

八、未来发展新领域与方向

（1）深海装备环件的规模化国产替代。 2026年兰石重装TA31大型环件的成功交付，标志着国内已打通深海装备用大壁厚钛合金环件的全链条制造能力- 。随着深海空间站、无人潜航器和海底观测网络建设的推进，TA31环件在耐压壳体环段、对接法兰环、推进器承力环等部件上的需求将持续增长。3米级厚壁TC4环件和深海装备专用TA31大型环件已相继交付，深海钛材配套能力已覆盖从载人深潜到无人潜航器的全场景。

（2）声学装备与无磁透声结构的拓展应用。 TA31的无磁和透声特性使其在声呐导流罩环件、水下声学基阵承力环等场景中具有不可替代性。随着海洋声学探测和水下通信装备的升级，兼具结构承载和声学透过功能的TA31环件需求将逐步释放。

（3）深海采矿与油气装备的高载荷环件。 深海矿产资源开发和天然气水合物开采装备对高强度、耐腐蚀环件有明确需求。TA31环件可用于深海采矿装备的液压系统承力环、输送管路连接法兰环和耐压舱体密封环等部位。深海钻井平台高压管线法兰环和深海充气浮体球体连接环等新型应用场景也在持续拓展。

（4）增材制造与环件近净成形的结合。 激光增材制造近α Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金的凝固组织与力学性能研究已取得进展，为TA31复杂构型环件的近净成形提供了新路径- 。对于小批量、高复杂度的深海环件，增材制造可缩短制造周期并减少材料浪费，与碾环工艺形成互补。

（5）表面强化与耐磨性提升。 TA31钛合金硬度低、耐磨性差，限制了其在深海装备摩擦副部件中的使用寿命- 。渗碳处理和离子氮化等表面强化技术可提高TA31环件的表面硬度和耐磨性，拓展其在深海装备动密封环、轴承环等摩擦学部件中的应用。

（6）环件智能化制造与质量追溯。 兰石重装等企业已在钛合金环件制造中应用数字孪生和智能化检测技术。未来TA31环件的制造将向锻造过程全数字化模拟、AI视觉检测和全寿命质量追溯方向发展，为深海装备环件的批量化稳定供货提供保障。中恒钛航等宝鸡钛企的TA31环锻件已支持按图纸定制和UT探伤，随着深海装备国产化升级的推进，TA31环件在环锻件市场中的占比将逐步提升。