鈦合金由于具有比重小、比強度高以及優良的抗腐蝕性能的優點，在航空航天、船舶以及醫療等許多方面得到了運用。尤其隨著最近冶煉技術與加工制造業的迅猛發展，鈦合金材料在航空航天領域的運用也越來越廣泛。在軍機上鈦合金的使用量越來越大，最近幾年為減輕飛機重量很多結構件都采用了鈦合金，蘇—２７飛機上各種鈦合金零件的總質量約占飛機總質量的15％。

鈦合金具有較高的缺陷敏感性，其冶煉缺陷主要有金屬夾雜、非金屬夾雜、化學成分偏析，其中偏析出現的機率較高。然而，由于材料檢驗抽樣的隨機性使得有些缺陷并不能在材料檢 驗中均被檢出，這些缺陷可能會在生產加工、熱處理等過程中才暴露出來。另外由于鈦合金發展使用的歷史較短，目前對鈦合金的研究遠不如對鋼合金與鋁合金等的研究深入，參考資料也相對較少，因此為了提高鈦合金的冶煉質量與零件使用及其工作的可靠性，在生產實踐中研究鈦合金的宏觀、微觀組織及其對力學性能的影響有著重要的意義。

近幾年為了減輕彈射座椅的質量，部分零件已經開 始 使 用 鈦 合 金。 某 型 彈 射 座 椅 用Φ 55ｍｍTC11鈦合金熱軋棒料在900℃真空退火90ｍin后表面出現了縱裂紋，裂紋斷續沿縱表面分布。為了查明裂紋產生的原因，實驗對開裂的TC11鈦合金棒進行了理化檢驗和分析。

TC11鈦合金棒在退火后發現裂紋。為分析裂紋產生的原因，對其進行了裂紋宏觀和微觀檢驗、顯微硬度測試和能譜分析。結果表明：原材料在冶煉過程中氧、碳含量偏高聚集在材料中形成偏析，在軋制過程中開裂，退火后發現的鈦棒縱表面的裂紋是由原材料帶來的。

1、理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

開裂鈦合金棒的宏觀形貌如圖１所示，可見裂紋在棒料外表面沿縱向間斷分布。圖２為橫向取樣的宏觀形貌，可見裂紋深達 ３．６ｍｍ，尾端圓鈍，并不尖銳。

1.2 微觀檢驗

圖３～５是從同一裂紋沿縱表面取樣磨制侵蝕后在不同部位獲得的顯微組織形貌，可以清楚的看到裂紋附近有一條白亮條帶狀組織，白亮區與基體組織邊界分明。但白亮區并未與基體完全剝離，一邊與基體結合成為 一體。棒料從 白 亮條帶一 側 開裂，裂紋一側為基體組織，另一側為白亮區。白亮條帶與基體組織明顯不同。由圖５可見，裂紋在白亮條帶尾端附近終止。裂紋是白亮條帶的一側與基體分離而產生。白亮區寬度約０．３ｍｍ。由此可見，裂紋的產生與白亮條帶的存在應該有很大的關系。

圖１　縱表面裂紋的宏觀形貌

1.3 顯微硬度測試

白亮區為富氧α組織，對白亮條帶與基體進行顯微硬度試驗，試驗載荷為２００ｇ。測得白亮條帶處的顯微硬度為550，５72，５32，560ＨＶ０.２，平均值為560ＨＶ０.２；基 體 的 顯 微 硬 度 為43８，４46，４42，434ＨＶ０.２，平均值為440ＨＶ０.２。條帶處的顯微硬度比基體處的高出約３０％，由圖６也可以看出，白亮條帶的顯微硬度壓痕比基體的小。

圖７是裂紋橫截面的顯微組織，可見左下側的白亮組織（α相）明顯比右上側的多。圖８是基體的顯微組織，可見為α＋β等軸組織。等軸組織的特點是等軸狀的α相分布在轉變了的β相基體上，等軸組織有著很好的拉伸塑性和疲勞強度。圖９是橫截面處的微裂紋形貌，可見主裂紋邊緣出現了分支微裂紋。

1.4 能譜分析

對白亮區利用能譜進行微區成分分析，結果如圖１０所示，可見缺陷中氧與碳的含量很高。

2、分析與討論

通常由于熱處理不當導致零件（或材料）產生的裂紋通常尾端尖銳，呈擴展態勢，圖２顯示，裂紋尾部并不尖銳，也無擴展特征。在圖３～５中，白亮條帶只出現在裂紋的一側，且在圖６中可見，條帶缺陷

處的顯微硬度壓痕比基體處的小，條帶處的顯微硬度比基體處的高出約３０％。由此說明白亮條帶與基體差異極大。

通常退火致裂的情況極少。棒料進廠后只進行了退火處理，并無其他后續工序，則裂紋應是由原材料帶來的。若氧與碳的含量明顯偏高是由退火造成的，出現污染，那么白亮條帶應該出現在裂紋兩邊，從圖３～５可以看出白亮條帶只出現在裂 縫一側。

據此，裂縫是原材料的折疊或拉痕的可能性也可以排除。且由圖１和圖２可見，裂紋宏觀上尾部并不尖銳，不具備熱處理裂紋的特征。故可知富碳、氧的亮條是由原材料自身帶來的，也就是說裂紋是由原材料帶來的。

陶春 虎 等 人 也 曾 對 此 類 白 亮 條 帶 進 行 過 分析，結果證明該缺陷為富氧與富碳α層，為富α偏析。該缺陷的存在是由于鈦錠熔煉時合金中富含氧與碳，導致材料脆化，使得缺陷處顯微硬度比基體部位的高。

白亮區并未與基體完全剝離，一邊與基體結合成為一體，應該不是夾雜，而是氧與碳聚集產生的偏析。裂紋是在白亮條帶尾端附近終止且在白亮條帶的一側與基體分離，因此裂紋與白亮條帶的存在有很大關系，而白亮條帶中碳、氧含量明顯偏高。白亮區為富氧α組織，白亮區中α相明顯偏高。圖９的偏析區中出現了細小的微裂紋。

能譜分析結果表明，雜 質元 素氧、碳 的 含 量 偏高，氧、碳聚集在材料中形成了偏析。氧、碳提高相變點，擴大α相區，穩定α組織，這使得組織中出現了α亮條帶。富α組織能使強度、硬度大幅提高，但

塑性、斷裂韌度以及抗蠕變性能急劇下降，這是亮條區硬度偏高的原因。

富氧α層的顯微硬度較高，塑性變形能力差，從而使材料的脆性增加，脆性較大能促使裂紋的形成與發展。這樣棒料在軋制過程中就有開裂的可能。同時產生偏析必然導致材料體積范圍內的性能不均勻，從而會降低材料的力學性能，尤其是界面兩側的變形不協調導致局部應力的提高，使疲勞裂紋易于萌生。

偏析產生的原因是由于合金中雜質元素或合金元素局部聚集而形成的，會使組織中出現α亮斑、亮條或β斑。

β斑即為β偏析，β偏析的產生原因是合金冶煉在凝固的過程中同一溫度下的固相成分和液相成分有差別，液相總是含有比固相更多的β穩定元素，從而導致比較容易產生鑄錠中心和頭部的β穩定元素的 偏 析，一般出 現 在鑄錠 的 等軸區域。β斑對拉伸性能、熱穩定性、斷裂韌度、低周疲勞和高周疲勞性能會產生極其不利的影響。β斑常常是裂紋的起源，對壽命的影響也較大。

偏析在材料檢驗中可以通過低倍試驗發現。試樣在常溫的強酸溶液里腐蝕（通常用工業純體積分數為13％～17％的 硝酸與８.５％～１３.５％的 氫氟酸，或者化 學 純 體 積 分 數 為13％ ～17％ 的 硝 酸 與１０.５％ ～１３.５％的 氫 氟 酸 ），約 腐 蝕 掉 ０.０５～０.１０ｍｍ的厚度后立即在干凈的水中清洗并吹干，然后進行觀察。偏析將在無光澤的灰色背底上呈現出亮銀色的光澤斑，用砂紙打磨并重新腐蝕后偏析在原來位置又可重現；還可以通過硬度試驗進行檢驗，因為偏析區與基體的硬度往往有較大差異。

鈦合金具有較高的缺陷敏感性，其中偏析出現的機率較高，通常這類缺陷能在原材料檢驗或半成品檢驗中發現。但由于低倍檢驗取樣一般是取全橫截面試樣，而偏析有可能出現在材料的不同部位，這樣就有可能取不到偏析部位。這些缺陷可能會在生產加工、熱處理等過程中才暴露出來，更多的是在成品零件經腐蝕后進行１００％檢驗時才能充分暴露出來。

裂紋的產生是由于原材料中存在著缺陷，即鈦錠熔煉時合金中混入了強烈氧化的富碳海綿鈦塊，發生了氧、碳元素偏聚。鈦棒在生產軋制時，界面兩側的變形不協調導致局部應力提高，從而引起開裂，在原材料出廠前又未車削干凈。為進一步證實該判斷，實驗檢查了庫房余料，在余料表面發現了裂紋。

3、結論

（１）鈦合金棒上的裂紋是由出廠時帶來的。原材料在冶煉過程中氧、碳含量偏高，聚集在材料中形成偏析，在軋制過程中界面兩側的變形不協調導致局部應力提高，從而引起開裂。

（２）鈦錠熔煉時應避免混入強烈氧化的海綿鈦塊。

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