發(fā)布日期：2025-7-15 16:53:27
TC4鈦合金是目前世界上使用量最大､用途最 廣的兩相鈦合金由密排六方結(jié)構(gòu)的 α 相和體心立 方結(jié)構(gòu)的β 相構(gòu)成[1]具有比強度高耐蝕性好抗 疲勞和抗裂紋擴展能力強等優(yōu)異性能[2-3]，在航空 航天､船舶制造､石油化工､生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用。航空發(fā)動機葉片和渦輪盤，以及飛機 結(jié)構(gòu)中的梁､接頭和隔框等重要承力構(gòu)件大多采用 TC4鈦合金材料[4-5]。TC4鈦合金用于承力､傳動結(jié) 構(gòu)等關(guān)鍵零件時，一般需進行鍛造變形才能滿足使 用要求[6]。為確保鍛件內(nèi)部無夾雜､偏析和氣孔等 缺陷[7]，需要對鍛件進行超聲波探傷判定內(nèi)部質(zhì)量。 實際工業(yè)生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)工藝不當(dāng)，可能導(dǎo)致鈦合 金鍛件出現(xiàn)偏析､夾雜和開裂等缺陷，影響鍛件的合 格率，降低生產(chǎn)效率，并且還可能會給后續(xù)的使用埋 下安全隱患。本試驗針對某批有探傷缺陷的TC4鈦 合金鍛件進行檢驗，確定缺陷的性質(zhì)和產(chǎn)生原因，并 提出生產(chǎn)加工過程中的改進措施，為鈦材生產(chǎn)企業(yè) 調(diào)整生產(chǎn)工藝､優(yōu)化生產(chǎn)過程提供參考。
1、試驗材料及方法
試驗材料為TC4鈦合金鍛件，成品規(guī)格為ϕ573 × 70mm，制備工藝流程:電極壓制￫電極焊接￫真 空自耗爐熔煉的TC4鈦合金三次熔煉制備鑄錠(直 徑為ϕ610mm)￫鍛造(ϕ573× 70mm鍛件)。對鍛 件圓周方向上下距端面10mm處取表面絲､帶樣，使 用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP，InductivelyCou-pledPlasma)､氧氮分析儀(ONH，Oxygen-Nitrogen Analyzer)進行成分檢測，并與國標(biāo)TC4鈦合金對比 成分差異。
使用手持式超聲波探傷儀對鍛件兩端面進行全 面探傷，發(fā)現(xiàn)鍛件有5個部位存在缺陷，如圖1所 示。為了確定缺陷的確切位置，將超聲波探頭從 ϕ25mm更換為直徑更小的ϕ12mm探頭，并通過設(shè) 置靈敏度，確定了缺陷的位置和深度，然后通過線切 割對缺陷部位進行切割制樣，加工成尺寸約15mm × 15mm× 4mm的薄片，通過對薄片進行磨制，查看 低倍組織，找出缺陷點，確定存在缺陷的金相試樣， 進行金相､能譜､硬度檢測和分析，確定缺陷的性質(zhì) 及其產(chǎn)生原因。
試驗所用的主要設(shè)備及部分參數(shù)如表1所示。
由于缺陷點較多，缺陷很小，線切割過程中容易 將缺陷切除。本次研究切出來兩個典型缺陷試樣，重點對缺陷明顯的試樣進行了詳細檢測及分析。
2、試驗結(jié)果和分析
2. 1 成分檢測
在鍛件上下兩端面附近取樣，通過ICP和ONH 檢測試樣各項元素，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示各項成分 均符合國標(biāo)TC4鈦合金成分。
2. 2 低倍組織
對超聲波探測缺陷明顯部位進行切割鑲嵌制樣 (圖2a)，使用磨拋機磨拋，肉眼觀察到試樣表面存 在直徑約0. 1~ 1mm的異常黑點(見圖2b)。
2. 3 高倍組織
對存在明顯黑點的試樣進行拋光，在顯微鏡下 觀察黑點區(qū)域，結(jié)果見圖3。從圖3可見，黑點缺陷 周圍存在細小裂紋。
使用體積分?jǐn)?shù)5%HF+10%HNO,+85%H2O比例的腐蝕液對該試樣進行腐蝕后，在顯微鏡下觀 察，結(jié)果見圖4。可以看出，缺陷周圍的基體組織為 TC4鈦合金等軸α 和β 組織，而缺陷點組織與基體 明顯不同，兩者之間存在分界面。
2. 4 掃描電鏡及能譜分析
對上述試樣缺陷區(qū)域進行電鏡掃描，缺陷整體 情況如圖5a所示，表面粗糙，不同于正常TC4鈦合 金基體組織，屬于異常組織。缺陷區(qū)域放大后如圖 5b所示，缺陷處裂紋清晰可見，分析為鍛造后產(chǎn)生的 裂紋。
進一步對該試樣的A和B兩個區(qū)域進行了能譜 點掃描，掃描點數(shù)分別為7個和8個，如圖6所示。 能譜掃描后各點成分見表3､表4。
由表可知，缺陷部位的Al､O､C､N元素異常偏 高，其中區(qū)域A中4號點位置的O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最 大達到了22.5%，同時Al元素最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)也達到 24. 88%，而Ti元素僅為49. 67%。5號點的C元素 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為3.03%ꎻ另外區(qū)域B中的6號點N元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為1. 39%。A､B兩個區(qū)域的V 元素均偏低，個別點未檢測到V元素，這表明缺陷區(qū) 是一個復(fù)雜的氧化物，并且以上元素均超出了TC4 鈦合金的國標(biāo)成分范圍。
同時對試樣黑點區(qū)域進行了能譜面掃描和線掃 描，結(jié)果見圖7和圖8。通過比對缺陷掃描區(qū)域與元素分布情況，顯示 除O元素明顯集中富集在缺陷處外，C元素也存在一定的富集，其余元素Al､V､N､Fe富集不明顯，這說 明缺陷處的O元素含量整體偏高(如圖7b)，覆蓋黑 點缺陷區(qū)域ꎻ從線掃描情況來看，掃描范圍包括缺陷區(qū)與基體區(qū)，中間部位為缺陷區(qū)，曲線顯示O元素的 分布情況與面掃結(jié)果相符，且C元素含量在缺陷區(qū) 存在一定的升高，基體區(qū)無明顯的突變。
2. 5 硬度測試
對試樣上黑點區(qū)域(如圖1所示)和正常基體區(qū) 域進行硬度測試，加載壓力10N､加載時間15s，共 測試4個點，黑點區(qū)域平均硬度HV1為303. 5，正常 基體區(qū)域平均硬度HV1為282。
黑點區(qū)域的平均硬度值比基體區(qū)域高。這是由 于雜質(zhì)元素O､C含量高，導(dǎo)致缺陷區(qū)域硬度提高，這 與前面分析相符。
3、分析討論
低倍組織中可見與基體明顯不同的微小點狀物，高倍顯微組織中正�；w部位為 α+β 的等軸組織，缺陷部位組織異常，且硬度較高，內(nèi)部存在點狀物，與正�；w部分存在明顯界面。缺陷處 O 元素和 Al 元素含量遠高于基體的含量，基于這些特點，該缺陷比較符合非金屬硬夾雜缺陷的特性，屬于非金屬夾雜缺陷。
由于鑄錠中存在硬夾雜，因缺陷處的硬度值與基體存在較大差異，鍛造中受力不同，在缺陷處產(chǎn)生微小裂紋和孔洞，在進行超聲波探傷的時候出現(xiàn)缺陷波。
進一步的能譜分析檢測結(jié)果表明，缺陷處的成分與基體的成分檢測結(jié)果相比有較大區(qū)別，尤其是 O、C 元素，線掃描呈現(xiàn) 200~500μm 范圍含量高，兩端少的分布，這表明中間缺陷區(qū)域?qū)儆诘兔芏绕鰠^(qū)域。這些元素的增加導(dǎo)致缺陷區(qū)的硬度升高變脆，綜合判定此缺陷屬于冶金缺陷，是由于熔煉生產(chǎn)過程中受到 O、C 等污染的鈦塊進入了 VAR 熔煉爐中，未充分?jǐn)U散而形成了富氧的低密度偏析區(qū)域。生產(chǎn)中可能帶入雜質(zhì)的環(huán)節(jié)主要為原料挑選和電極焊接，如在電極壓制中帶入了污染的鈦塊，焊接過程中因保護不當(dāng)導(dǎo)致焊疤氧化，熔煉中熔煉爐掉入的氧化物，均有可能帶入夾雜。
Ti 的氧化物熔點約 1840℃，VAR 爐中熔池溫度能達到 1800℃以上，很容易在 VAR 熔煉過程中溶解。因而鈦的熔煉生產(chǎn)中一般不會形成鈦的氧化物夾雜，但若局部氧含量過高，氧含量增高會導(dǎo)致等效鋁含量的增大，此時富氧帶周圍易于形成相彌散析出。能譜掃描顯示缺陷區(qū)域某些點的 O 和 Al 元素的含量遠遠高于缺陷區(qū)整體的含量，可能存在組織的析出，缺陷區(qū)域力學(xué)性能與 TC4 鈦合金基體相比有很大區(qū)別，容易在后續(xù)鍛造加工過程中出現(xiàn)裂紋和孔洞。由金相顯示的裂紋可見，裂紋在缺陷區(qū)域分布零散，而能譜點掃顯示雜
質(zhì)元素分布存在不均勻，也說明缺陷為非金屬夾雜冶金缺陷。
4、結(jié)論
1）TC4 鈦合金鍛件缺陷處元素分布不均，O、Al、C、N 等元素含量偏高，這是非金屬夾雜冶金缺陷，是由于在鑄錠熔煉生產(chǎn)中帶入的氧化物而未充分?jǐn)U散形成的，過高的氧會導(dǎo)致富氧帶區(qū)域的等效鋁含量的升高，從而析出脆硬化相，在后續(xù)鍛造過程中因力學(xué)性能不同產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致鍛件探傷不合格。
2）針對 VAR 爐熔煉鈦鑄錠的生產(chǎn)過程，應(yīng)嚴(yán)格控制原料的質(zhì)量，電極壓制前進行選料；焊接時焊疤氬氣保護到位，高要求用途的可使用真空焊箱或爐內(nèi)焊接工藝；熔煉前對爐室、輔助電極及坩堝整體清理。以上措施可以有效避免熔煉過程中形成夾雜，從而減少鍛件缺陷。
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