TC4鈦合金是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的一種α+β型鈦合金 ，通常在退火狀態(tài)下使用 ，由于退火溫度低于鍛造加熱溫度 ，因此其組織和性能主要取決于鍛造工藝。目前常用的鍛造方法有傳統(tǒng)的。α+β鍛造方法和后期發(fā)展起來的β鍛造方法。其常見的缺陷有合金元素的偏析和夾雜物、鑄造組織的殘 留。α脆化層、氫脆以及β脆性等。

某單位在對某由TC4鈦合金棒料加工的產(chǎn)品進(jìn)行 X 射線檢測時發(fā)現(xiàn) ，在膠 片上一個φ80mm的范圍內(nèi)有一條形狀不規(guī)則的亮條紋缺陷 ，如圖1所示 。為分析該亮條紋缺 陷產(chǎn)生 的原 因，避免類似缺陷的再產(chǎn)生 ，采用各種理化檢驗手段對該TC4鈦合金產(chǎn)品進(jìn)行了分析 。

1、理化檢驗

1.1 化學(xué)成分分析

1.1.1 原材料化學(xué)成分分析

在用于加工TC4鈦合金產(chǎn)品的原材料上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析 ，結(jié)果見表 1。

1.1.2  X 射線能譜分析

在已進(jìn)行低倍檢驗的試樣上切取一小塊包括部分缺陷和正常組織的掃描電鏡試樣 ，然后進(jìn)行缺陷區(qū)域標(biāo)識 ，并磨制去掉表面腐蝕層。采用掃描電鏡配置的能譜儀分別對缺陷區(qū)域和基體進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析 ，結(jié)果見圖2和表2。

由表1可見，同爐批號TC4鈦合金的化學(xué)成分是合格的，各元素含量均滿足GB/T 3620.1一2007《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》對TC4鈦合金成分的技術(shù)要求。說明整批材料的化學(xué)成分沒有問題 ，表2 中的基體能譜分析結(jié)果也證明了這一點。但是 ，在亮條紋缺陷區(qū)域卻 出現(xiàn)了明顯 的低鋁和無礬元素的現(xiàn)象，鈦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)99.15% 。

1.2 低倍檢驗

按GB/T 516 8 一2008《α+β鈦合金高低倍組織檢驗方法》中的低倍組織腐蝕方法，獲得了缺陷處TC4鈦合金的低倍組織形貌，見圖3。可見，材料經(jīng)13%分析純硝酸(體積分?jǐn)?shù))+10.5% 分析純氫氟酸(體積分?jǐn)?shù))+ 水組成的混合溶液腐蝕后 ，缺陷處呈現(xiàn)深色條紋形貌 。圖3中的深色條紋即為圖1中亮條紋的其中一段 。

1.3 金相檢驗

按G BGB/T 516 8 一2008 中的高倍組織腐蝕方法，些 獲得了TC4鈦合金基體和缺陷區(qū)域的顯微組織形貌 。腐蝕劑為10%分析純硝酸 (體積分?jǐn)?shù))+ 2% 分析純氫氟酸(體積分?jǐn)?shù))+ 水 ，結(jié)果見圖 4。

由圖 4 ( a)一 ( c )可見 ，TC4鈦合金缺陷處 的顯微組織為粗 大的單相α組織 ，基體 區(qū)域為等軸初生α相+再結(jié)晶二次β相的雙相組織，并且在缺陷區(qū)域和基體之間存在明顯的過渡區(qū)。

1.4 硬度檢測

分別對缺陷區(qū)、過渡區(qū)和基體進(jìn)行顯微維氏硬度測試。結(jié)果缺陷區(qū)、過渡區(qū)和基體的硬度(三次測定結(jié)果的平均值)分別為 149，202，299 H V 。可見，缺陷處的硬度僅約為基體硬度的一半，過渡區(qū)域介于二者之間。而該材料使用狀態(tài)的硬度合格值為288一321HV ，說明缺陷處的硬度遠(yuǎn)低于技術(shù)要求。

2、綜合分析

由以上理化檢驗結(jié)果可以得出，TC4鈦合金的亮條紋缺陷主要是 由于材料中存在成分偏析造成的。在亮條紋處鋁含量0.85% ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值的下限，釩元素沒有，而鈦元素含量高達(dá)99.15% ，這是一種富鈦偏析現(xiàn)象。由于缺乏β組織穩(wěn)定元素釩，所 以其顯微組織 為粗大的單相α組織。沒有β組織，這就表現(xiàn)在缺陷處的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基體，所以這是一種典型的富鈦貧鋁貧釩偏析。由于其顯微硬度明顯低于基體 ，所以又稱作“軟偏析”冶金缺陷。

我國目前絕大部分生產(chǎn)廠家對于鈦合金的冶煉生產(chǎn)都采用三次真空熔煉 自耗電弧爐熔煉法。該方法在冶煉過程中，由于海綿鈦、中間合金的粒度分布不均勻 ，會造成合金元素分布不均勻 ，引起局部區(qū)域合金元素貧化或富集，致使該區(qū)域的合金相變點偏離正常合金的相變點，在以后的熱加工過程中，就容易出現(xiàn)異常組織 ，形成冶金缺陷。

由于TC4鈦合金材料缺陷區(qū)、過渡區(qū)和基體的硬度不均勻 ，必然會引起 材料體積范圍內(nèi)的性能不均勻性。已有大量的試驗研究表明，這種偏析會使材料的室溫抗拉強(qiáng)度有所降低，但對塑性影響不明顯。同時這類亮條紋缺陷，對材料 的高溫拉伸性能和持久強(qiáng)度也有明顯 的降低作用 。

為了消除這類缺陷 ，建議在TC4鈦合金冶煉過程中，提高電極的壓制質(zhì)量和焊接質(zhì)量 ，嚴(yán)格控制海綿鈦和中間合金的粒度 ，同時增加冶煉過程中的重?zé)挻螖?shù) 。

3、結(jié)論

由于該TC4鈦合金棒材在冶煉時工藝控制不當(dāng)，形成 了一個嚴(yán)重 的富鈦貧鋁貧釩區(qū)域 ，該區(qū)域在后期的熱加工過程中形成了不同于基體的粗大單相組織 ，其硬度 明顯低于基體硬度 ，所 以 X 射線檢測時呈現(xiàn)亮條紋形貌，這是一種典型的軟偏析冶金缺陷。

參考文獻(xiàn):

[1]呂炎. 鍛件缺陷分析與對策巨M 」. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999:125.

[2]陶春虎. 航空用鈦合金的失效及其預(yù)防「M 〕. 北京:國防工業(yè)出版社，2002:135一139.

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