TA15鈦合金棒材的亮斑缺陷與非脆性偏析

TA15是一種高鋁當(dāng)量損傷容限型近α鈦合金，具有良好的熱強(qiáng)性和可焊性，有接近α-β 型鈦合金的工藝塑性，是我國(guó)航空領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料 ［1］ 。

雖然TA15 是近α 鈦合金，但其性能與α - β 型鈦合金性能接近。因此，如果微區(qū)成分不均勻，必然會(huì)引起宏觀組織及顯微組織的異常，從而導(dǎo)致異常區(qū)域與正常區(qū)域硬度顯著的差異性，而這種差異性會(huì)使材料在整體上表現(xiàn)為性能不均勻，最終萌生疲勞裂紋源，給零件使用的安全性也帶來(lái)極大隱患，同時(shí)降低該合金的使用壽命 ［2］ 。

在對(duì)TA15鈦合金低倍進(jìn)行檢查時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)亮條、亮斑等缺陷。這些缺陷雖然可能在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有形成裂紋、孔洞等缺陷，又很難通過(guò)無(wú)損探傷的方法檢測(cè)出來(lái)，而缺陷的存在可能會(huì)嚴(yán)重影響材料的使用可靠性和穩(wěn)定性。因此，為了確保TA15鈦合金棒材的使用可靠性，必須對(duì)亮條、亮斑這類缺陷進(jìn)行分析，以及它對(duì)性能可能的影響。本文探討了 TA15鈦合金棒材偏析中遇到的此類缺陷的分析與判定方法，旨在提高生產(chǎn)質(zhì)量，為檢驗(yàn)提供借鑒。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

筆者在對(duì)某TA15鈦合金棒料進(jìn)行低倍檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)不規(guī)則的亮斑缺陷，如圖 1 所示，疑似偏析缺陷。為判定該缺陷類型，分析該缺陷產(chǎn)生的原因，避免類似缺陷再次產(chǎn)生，對(duì)該TA15鈦合金棒產(chǎn)品進(jìn)行了進(jìn)一步檢測(cè)分析。

該棒材原料按標(biāo)準(zhǔn)要求配料，經(jīng)三次真空自耗電弧爐熔煉，制成 Φ640 mm 的鑄錠，取樣分析化學(xué)成分，結(jié)果如表 1 所示。該結(jié)果符合 GB/T 3620.1—2007 鈦合金成分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明整批材料的化學(xué)成分沒(méi)有問(wèn)題。

然后鈦合金鑄錠在相變點(diǎn)以上開坯，下料后，再經(jīng)過(guò)多次墩拔鍛造，加工成成品前坯料，最后在相變點(diǎn)以下成型，制成成品鈦合金棒材毛坯料，經(jīng)扒皮，拋光，最后為成品棒材。送檢時(shí)，任取一支棒材下料取樣，檢查低倍橫截面。鍛造生產(chǎn)過(guò)程均符合要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

用 ZEISS Observer.A1m 光學(xué)金相顯微鏡觀察棒材顯微組織。用 JSM-6460 鎢燈絲掃描電子顯微鏡進(jìn)行微區(qū)成分分析。用 401MWD顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。

2、結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

在低倍組織觀察的基礎(chǔ)上，對(duì)亮斑處進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕，在顯微鏡上進(jìn)行觀察，其缺陷區(qū)域、過(guò)渡區(qū)域及正常區(qū)域的顯微組織如圖 2。

由圖2可見，TA15鈦合金亮斑缺陷區(qū)與正常區(qū)域的顯微組織區(qū)別非常明顯，缺陷區(qū) α 相含量非常高，只有極少量 β 相。而正常區(qū) α 相與 β 相的含量均在正常水平。因此，從顯微組織的結(jié)果已經(jīng)完全可以判定亮斑缺陷為偏析缺陷。

2.2 微區(qū)成分

在已顯微組織檢驗(yàn)的試樣上切取包括一小塊缺陷區(qū)域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(shí)，采用掃描電鏡的能譜儀(EDS)分別對(duì)缺陷區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分分析和 SEM 觀察，檢測(cè)區(qū)域如圖 3 所示，結(jié)果見表 2，SEM 觀察照片見圖 4。

表 2 中的正常區(qū)域能譜分析結(jié)果驗(yàn)證了整批材料化學(xué)成分的檢測(cè)結(jié)果，整批材料的化學(xué)成分是合格的。在亮斑缺陷區(qū)域卻出現(xiàn)了明顯的富鈦和貧鋁元素的情況。由此，判定該 TA15 合金棒材為典型的富鈦貧鋁型的偏析。

2.3 顯微硬度

分別對(duì)缺陷區(qū)和正常區(qū)域進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試。結(jié)果如表3 所示。由表 3 可見，缺陷區(qū)的硬度要低于正常區(qū)域7%左右，由此可以進(jìn)一步證實(shí)亮斑缺陷為富鈦貧鋁的偏析。

2.4 力學(xué)性能

該批TA15鈦合金棒材的力學(xué)性能如表 4 所示，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 討論

從顯微組織的結(jié)果來(lái)看，它符合富鈦偏析顯微組織的形貌—即偏析區(qū)的等軸初生 α 相含量高于基體。而微區(qū)成分分析結(jié)果也完全證明該亮斑為富鈦貧鋁偏析。

從對(duì)偏析區(qū)和正常區(qū)的顯微硬度測(cè)試結(jié)果來(lái)看，偏析區(qū)的平均顯微硬度比正常區(qū)低 7%，也符合差別在 10%以下的規(guī)律，再次印證了富鈦偏析的結(jié)論。

而且可以進(jìn)一步認(rèn)定該偏析是一種非脆性偏析。這種偏析不會(huì)對(duì)材料整體的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響。

這種化學(xué)成分偏析主要與鈦合金的熔煉工藝有關(guān)，在鑄錠生產(chǎn)中就已存在。我國(guó)目前絕大部分生產(chǎn)廠家對(duì)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(guò)程中，由于海綿鈦、中間合金的粒度分布不均勻，會(huì)造成合金元素分布不均，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(diǎn)偏離正常合金的相變點(diǎn)，在以后的熱加工過(guò)程中，容易出現(xiàn)異常組織，形成冶金缺陷［3］ 。

由此可見亮斑是一種冶金缺陷，要預(yù)防和避免亮條的產(chǎn)生，必須從改進(jìn)冶煉工藝著手。建議在 TA15鈦合金冶煉過(guò)程中，提高電極的焊接質(zhì)量，嚴(yán)格控制海綿鈦和中間合金的化學(xué)成分和顆粒大小、分布應(yīng)盡量均勻等［4］ 。

3、結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)顯微組織觀察、微區(qū)成分分析及掃描電鏡觀察和顯微硬度測(cè)試，確定該批 TA15鈦合金棒材為富鈦貧鋁的非脆性偏析。

(2)對(duì)該 TA15 合金棒材中不影響使用的偏析，只要性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，切除偏析后可繼續(xù)交貨。

參考文獻(xiàn)

［1］洪權(quán)，張振祺． Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金的熱變形行為［J］． 航空材料學(xué)報(bào)，2001，21(1):10 －12

［2］朱勤，張延生，何龍． TC4 合金棒材成分偏析組織的分析與判定［J］． 稀有金屬快報(bào)，2007(5):37 －39

［3］蔡建明，張旺峰，李臻熙等． TC11 鈦合金葉片上亮條和暗條的性質(zhì)及控制［J］． 材料工程，2005(1):16 －19

［4］劉俊，湯光平，楊桂珠． TC4 鈦合金棒料亮條紋缺陷分析［J］． 理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)，2011，47(10):646 －648