TC4钛合金锻件缺陷分析

TC4钛合金因其密度小、比强度高、抗腐蚀性好，综合性能优异，因此被广泛地应用于航空、航天、舰船、化工等领域。虽然TC4钛合金的加工技术已经较为成熟，但在工业化生产中，经常由于制备工艺不当而造成开裂、夹杂、偏析、气孔等缺陷。本文所述锻件的特点是直径大、厚度薄。本文针对某批次存在缺陷的TC4盘型锻件进行检验分析，通过超声波探伤、金相及能谱分析等方法找出缺陷性质及其产生原因。避免再次出现类似问题，为TC4钛合金锻件的工业化生产提供技术指导。

1、试验方法 

本文所用材料经真空自耗电弧熔炼TC4合金铸锭，下料后锻造成厚度较薄的大直径圆饼形锻件(φ700mmx28 mm)。对TC4铸锭的化学成分进行分析，结果符合GB／T3620.1-2007标准的要求。

采用超声检测的方法来确定锻件的内部质量。

为了保证缺陷的检出率，在信噪比满足检测要求的条件下尽量选择较大灵敏度．最终选择φ0.8mm平底孔作为参考反射体。在设置灵敏度的基础上，对锻件进行100％扫查，发现两处超标缺陷，两缺陷均在靠近锻件圆盘边缘部位，缺陷反射波见图1。应用超声波的精确定位功能，以缺陷反射波幅为参考。确定缺陷深度及异常区域范围。并作为解剖区域解剖取样。共取得2件试样。为此，本文用金相观察和能谱扫描的方法对该锻件做进一步检验分析，以便找出缺陷性质和产生原因。

2、试验结果与分析

2.1 金相低倍检验

对出现信号缺陷的部位进行横向切取试样,经抛光后，在一定比例配制的腐蚀液中进行腐蚀，观察低倍组织，结果见图2。从图中可观察出：1^#试样近中部有明显亮带，在亮带上有缩孔，并夹杂细小裂缝。24试样缺陷处与基体部分存在组织异常现象且存在细小裂缝。

2.2 金相高倍检验。

观察1^#、2^#试样高倍组织，结果见图3。从图中可以看到，1^#、2^#试样基体均为初生等轴α+小等轴及片状α的转变β，1^#试样存在着一个4.8mm×3.3mm的与基体组织不连续的缩孔缺陷，其周围上下部分仅α_初含量少于基体，在上部存在着较为明显的粗大α相。左右两侧则存在条状扭曲的粗大α_初+β_转，且α_初含量高于基体。2^#试样存在着一个1.3 mm×8mm的组织异常缺陷，表现为有条状扭曲的粗大α_初+β_转，且α_初含量高于基体。

2.3 缺陷区及基体布氏硬度测试分析

对缺陷区及基体进行硬度测试，测试点分布规律为：前2测试点在缺陷区中心位置选取，其余4点在缺陷区边缘均匀分布选取。基体测试点为随机抽取6个位置点。测得的硬度数据如表l所示。该锻件技术指标要求硬度值为293～361HB，从表中可以看到基体区硬度在技术指标范围内，而缺陷区硬度值普遍高于基体区，中心区硬度最高，且随着距缺陷

中心距离的增大而降低。

2.4 扫描电镜形貌及能谱分析

对1^#、2^#试样进行电镜扫描及能谱分析，结果如图4、5所示。试样不同区域的元素含量见表2。对1^#试样来说，表面裂缝处的能谱分析显示Ti的含量为98.4％，比正常基体部分含量偏高约8％。表明缺陷处为合金化不足引起的富钛化偏析。1^#试样表面异常处的能谱分析显示，氧元素含量很高，为11.71％；钛含量偏低，为75.36％；铝和钒元素的含量也偏低，并伴随其他杂质元素的析出。说明该处是一个复杂的钛氧化物形态。对2^#试样来说，其表面正常区域和表面异常区域的元素构成基本一致．而裂缝处的氧元素含量偏高，为13.48％，钛及铝含量均偏低。这说明该处是一个富氧间隙元素偏析。

3、结果分析

一般来说，非金属夹杂(含富氧、富碳、富氮夹杂)表现为光亮的条带和区域。这些带和区域有时伴随有疏松、裂纹、空穴等，属于冶金缺陷范畴。1^#试样缺陷的形貌是呈现亮斑且局部有针状裂缝的缩孔．显微组织表现为与周围基体组织粗大不连续的显微硬度高的α相聚集。能谱分析显示，缺陷异常区氧元素及碳元素含量偏高，导致其中心区显微硬 度显著提高，而随着与中心距离的增加，金属中氧元素含量减少，逐渐转变成合金的典型组织，这一点可以从显微硬度随距离的增加而降低看出。该处氧含量增高而钛含量降低，特别是铝含量较低，比基体材料低3/4，且有其他杂质元素存在，呈现出复杂氧化物形态。缩孔区域Ti含量显著高于基体部分。综合1^#试样缺陷特征可知，该处缺陷为富集氧的非金属夹杂并伴有针状裂缝处的富钛元素偏析。

2^#试样缺陷的形貌是呈类圆形的且局部表面有细小裂缝的亮斑。金相高倍组织显示该处有条形扭曲状的α相聚集且与周围基体组织有不连续现象。与1^#试样缺陷处全部为与基体组织不连续的缩孔不同的是，2^#试样只在表面出现了细小裂缝。组织不连续程度较1^#试样小。2^#试样能谱分析显示，其异常区域和正常区域的元素基本一致，氧元素含量偏 高，其缺陷处为富有氧元素偏析。

4、结论与改进措施

(1)1^#、2^#试样缺陷为同一类，属于冶金缺陷。缺陷区附近存在微区化学成分不均匀。氧含量偏高，铝、钒含量偏低。导致该区域是复杂的氧化物混合态。元素偏析会导致工件变形过程中在缺陷部分出现疏松、空穴或裂纹。缺陷主要是微区化学成分不均匀，氧含量偏高氧化严重，形成富氧的夹杂，形成粗大的仪相，导致其显微硬度显著增大，而塑性下降。因此在变形过程中由于脆性大导致缩孔和裂纹。

(2)消除以上冶金缺陷的措施应从以下几个方面考虑：一是要研究更加完善的铸锭检验方法，以便及早发现，减少损失，提高生产效率；二是应更加仔细地选择、清理和控制加入的海绵钛，及时清除氧化严重的海绵钛颗粒。

参考文献：

【1】 陈畏．钛【M】．北京：冶金工业出版社，2008．

【2】 赵永庆，陈永楠，张学敏，等．钛合金相变及热处理【M]．长沙：中南大学出版社。2012．

【3】 鲍利索娃EA．钛合金金相学[M】．陈石卿，译．北京：国防工业出版社，1986

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