TC11鈦合金是我國目前使用范圍最廣、使用量最大、技術最為成熟的一種熱強鈦合金,在我國各型號航空發動機和其他航天飛行器的制造中被大量使用。某TC11鈦合金零件在數控加工中心進行銑切加工時突發異響,隨即停機檢查,發現加工銑刀刀尖崩落，同時發現位于銑切前緣位置處的TC11鈦合金零件表面存在疑似硬質夾雜物。該零件加工采用的是TC11鈦合金模鍛件毛坯,在零件精加工之前先將模鍛件毛坯表面粗車到表面粗糙度小于3.2μm,然后按照GB/T 5193-2007中A 級規定對TC11鈦合金模鍛件進行超聲波探傷,未發現任何超標缺陷[１－５]。寶雞鈦鍛件廠家就該TC11鈦合金零件表面存在的疑似夾雜物進行了檢驗和分析，同時還進行了預制夾雜物缺陷熔煉驗證試驗,以確定鍛件中疑似夾雜物的性質，并分析其形成原因。

1、理化檢驗

１.１ 宏、微觀形貌觀察

肉眼宏觀觀察可見,加工后的TC4鈦合金零件外表面靠近上沿處有一個直徑約為１.５mm 的小坑,其深度在０~０.３mm。將零件缺陷區域采用線切割取樣后進行微觀形貌分析. 圖１(a)為缺陷局域俯視掃描電鏡(SEM)形貌,圖１(b)為缺陷局域俯視光學顯微鏡(OM)形貌,圖１(c)為缺陷局域縱向剖面光學顯微鏡形貌。由缺陷區域微觀形貌觀察可見,缺陷處小坑從銑削面處由表面逐漸變深,深的一端內殘留有硬質脆性夾雜物。由圖１(c)可以看出,缺陷處的表層顯微組織形貌與正常銑切加工面的表層組織形貌一致,為典型的α＋β雙相鈦合金

組織。

１.２ 微區成分分析

隨即對缺陷區域的殘留脆性硬質夾雜物及基體進行微區化學成分分析,缺陷區域硬質夾雜物掃描電鏡形貌及能譜分析結果見圖２，缺陷邊緣基體區域掃描電鏡形貌及能譜分析結果見圖３。分析結果表明,缺陷(小坑)內殘留的硬質夾雜物主要含有鎢、碳、鈷、鈦等元素,依據各元素的質量分數可以判定其為碳化物-鈷基硬質合金刀具成分;缺陷邊緣基體區域主要含有鈦、鋁、鉬、鋯等元素，依據各元素的質量分數可以判定其為正常的TC11鈦合金基體,沒有發現其他TC11鈦合金中不允許存在的異常元素。

2、分析與討論

通過上述試驗分析初步可以確定，TC11鈦合金鍛件在銑切機械加工中發現的缺陷為碳化物-鈷基硬質合金(刀具掉落碎塊)夾雜,其形成途徑有３ 種可能:一是在熔煉過程中帶入,合金在熔煉過程中中間坯錠在扒皮、平端面過程中可能會崩刀使得硬質合金刀具掉落碎塊潛入坯錠表面,在隨后熔煉過程中帶入到成品鑄錠中形成硬質合金夾雜;二是在鍛造過程中帶入,成品鑄錠在扒皮、平端面、分料過程中可能會崩刀使得硬質合金刀具掉落碎塊潛入坯錠表面,在隨后鍛造過程中嵌入到產品中形成硬質合金夾雜，鍛造過程中由于加熱會使坯料表面氧化,必然會在夾雜鑲嵌處的基體表面存在氧化現象,但在上述分析中,未發現缺陷周圍基體區域存在氧化層、富氧α層等氧化現象,所以鍛造過程中帶入硬質合金夾雜的可能性被排除;三是在產品機械加工過程中形成，即在機械加工中產生崩刀直接將硬質合金刀具掉落碎塊嵌入到產品表面形成疑似夾雜物缺陷。

為了最終確定該夾雜物形成途徑,進行了TC11鈦合金預埋碳化物-鈷基硬質合金刀具掉落碎塊熔煉驗證試驗。在TC11鈦合金中間坯錠上鉆出一個小孔,將預先準備的碳化物-鈷基硬質合金刀具掉落碎塊預埋到其中,然后進行成品鑄錠熔煉,成品鑄錠熔煉完成后進行鍛造、機械加工,再利用X 射線檢測確定預制夾雜物位置,最后經取樣、制樣等工序對預制的硬質合金夾雜物缺陷區域進行顯微形貌觀察與微區成分能譜分析,顯微形貌觀察結果見圖４,微區化學成分能譜分析結果見圖５與表１~３。

從圖５(a)與表１ 試驗數據可以看出,預制缺陷邊緣TC11鈦合金基體化學成分基本為TC11鈦合金的正常成分,但是含有微量的鈷元素,因為硬質合金中鈷的熔點(1493 ℃)低于鈦合金的熔煉溫度，所以熔煉后的TC11鈦合金基體金屬中會溶解有少量的金屬鈷.從圖５(b)與表２ 試驗數據可以看出,過渡區域內含有TC11鈦合金中的基本元素鈦、鋁、 鉬、鋯,同時含有硬質合金中的基本元素鎢、鈷、碳等,說明熔煉過程中如果含有硬質合金夾雜,其會與基體鈦合金發生互溶.從圖５(c)與表3試驗數據可以看出,硬質合金夾雜缺陷區域內含有硬質合金中的基本元素鎢、鈷、碳等,同時溶有一定數量的鈦元素。

通過對比可見，上述預制缺陷熔煉驗證試驗得到的夾雜缺陷微觀組織形貌及性質與TC11鈦合金鍛件產品機械加工過程中發現的疑似硬質合金夾雜物缺陷不一致.驗證試驗證明熔煉過程中帶入的硬質合金夾雜物周圍會存在明顯的互溶過渡區，即熔煉過程中帶入的硬質合金夾雜物會在鈦合金中發生一定程度的溶解,在夾雜物的外緣存在明顯的溶解過渡區,夾雜物周圍的基體鈦合金中會溶解有一定數量的鈷等元素，同時夾雜物內部也會擴散進入一定數量的鈦等元素。而TC11鈦合金鍛件產品銑切機械加工過程中發現的疑似硬質夾雜物缺陷(小坑)周圍基體區域的顯微組織為正常的TC11鈦合金α＋β雙相組織,沒有發現異常過渡組織，其化學成分為正常的TC11鈦合金成分,沒有發現任何鎢、鈷等硬質合金刀具成分,說明該TC11鈦合金鍛件銑切加工發現的疑似硬質夾雜物為嵌入其中的銑切刀具崩落碎塊。

3、結論

通過對疑似夾雜物缺陷區域進行微觀組織形貌觀察與化學成分能譜分析以及預制缺陷熔煉驗證試驗可以確定，該TC11鈦合金鍛件在機械加工中發現的疑似夾雜物缺陷為銑切過程中銑刀崩刀掉落碎塊軋入產品表面所致，并不是熔煉過程形成的冶金類夾雜物缺陷,亦不是鍛造過程中形成的鑲嵌類夾雜物缺陷.進一步對生產現場加工件及其銑切工藝進行分析發現,崩刀發生在銑切量最大的工件內緣處，確認造成崩刀的主要原因是瞬時銑切進給量過大。

參考文獻:

[１] ?中國航空材料手冊?編輯委員會.中國航空材料手冊[M].北京:中國標準出版社,２００２. 

[２] 王金友,葛志明,周彥邦.航空用鈦合金[M].上海:上海科學技術出版社,１９８５. 

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 [５] 李航,張濤,李宇.TC11鈦合金高周疲勞性能的定量表征[J].理化檢驗-物理分冊, ２０１４, ５０ (８ ):５６６-５６９.

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