TC4鈦合金是目前世界上使用量最大、用途最廣的兩相鈦合金,由密排六方結構的 α 相和體心立方結構的 β 相構成[1]
,具有比強度高、耐蝕性好、抗疲勞和抗裂紋擴展能力強等優異性能[2 - 3]
,在航空航天、船舶制造、石油化工、生物醫療等多個領域得到廣泛應用。 航空發動機葉片和渦輪盤,以及飛機結構中的梁、接頭和隔框等重要承力構件大多采用TC4 鈦合金材料[4 - 5]
。 TC4 鈦合金用于承力、傳動結構等關鍵零件時,一般需進行鍛造變形才能滿足使用要求[6]
。 為確保鍛件內部無夾雜、偏析和氣孔等缺陷[7]
,需要對鍛件進行超聲波探傷判定內部質量。實際工業生產中,由于生產工藝不當,可能導致鈦合金鍛件出現偏析、夾雜和開裂等缺陷,影響鍛件的合格率,降低生產效率,并且還可能會給后續的使用埋下安全隱患。 本試驗針對某批有探傷缺陷的 TC4 鈦合金鍛件進行檢驗,確定缺陷的性質和產生原因,并提出生產加工過程中的改進措施,為鈦材生產企業調整生產工藝、優化生產過程提供參考。
1、試驗材料及方法
試驗材料為TC4鈦合金鍛件,成品規格為Φ573×70mm,制備工藝流程:電極壓制→電極焊接→真空自耗爐熔煉的TC4鈦合金三次熔煉制備鑄錠(直徑為Φ610mm)→鍛造(Φ573x70mm鍛件)。對鍛件圓周方向上下距端面10mm處取表面絲、帶樣，使用電感耦合等離子發射光譜儀(ICP,InductivelyCou-pled Plasma)、氧氮分析儀(ONH,Oxygen-Nitrogen Analyzer)進行成分檢測,并與國標TC4鈦合金對比成分差異。
使用手持式超聲波探傷儀對鍛件兩端面進行全面探傷，發現鍛件有5個部位存在缺陷，如圖1所示。為了確定缺陷的確切位置，將超聲波探頭從Φ25mm更換為直徑更小的Φ12mm探頭,并通過設置靈敏度，確定了缺陷的位置和深度，然后通過線切割對缺陷部位進行切割制樣,加工成尺寸約15mm x15mmx4mm的薄片,通過對薄片進行磨制,查看低倍組織，找出缺陷點，確定存在缺陷的金相試樣，進行金相、能譜、硬度檢測和分析,確定缺陷的性質及其產生原因。
試驗所用的主要設備及部分參數如表1所示。
由于缺陷點較多,缺陷很小,線切割過程中容易將缺陷切除。本次研究切出來兩個典型缺陷試樣，重點對缺陷明顯的試樣進行了詳細檢測及分析。
表1 主要檢測儀器及部分參數
Table 1 Main testing instruments and some parameters
| 儀器 | 型號 | 參數 |
| ICP | ICP PRO | 166-847 nm,≤7 pm分辨率 |
| ONH | LECO ONH836 | 氧/氮/氫精度:±0.0001% |
| 超聲波探傷儀 | SUT-518C 1 | 1 MHz-10 MHz,精度±0.1mm |
| 掃描電鏡 |
|
|
| 硬度測試儀 | HVS-1000 GB | /T231.1,ISO 6506-1,ASTM E10 |
2、試驗結果和分析
2.1成分檢測
在鍛件上下兩端面附近取樣，通過ICP和ONH檢測試樣各項元素，結果見表2。結果顯示各項成分均符合國標TC4鈦合金成分。
表2 鍛件成分檢測結果(質量分數/%)
Table 2 Forging component test results(mass fraction/%)
| 元素 | Al | V | Fe | O | C | N | Ti |
| 國標 | 5.5-6.8 | 3.5-4.5 | ≤0.3 | ≤0.2 | ≤0.1 | ≤0.05 | 余量 |
| 檢測值(上) | 6.42 | 4.13 | 0.042 | 0.161 | 0.02 | 0.004 |
|
| 檢測值(下) | 6.42 | 4.23 | 0.04 | 0.163 | 0.018 | 0.004 |
|
2.2低倍組織
對超聲波探測缺陷明顯部位進行切割鑲嵌制樣(圖2a),使用磨拋機磨拋,肉眼觀察到試樣表面存在直徑約0.1~1mm的異常黑點(見圖2b)。
2.3高倍組織
對存在明顯黑點的試樣進行拋光,在顯微鏡下觀察黑點區域，結果見圖3。從圖3可見，黑點缺陷周圍存在細小裂紋。
使用體積分數 5% HF+10% HNO3 + 85%H2O比例的腐蝕液對該試樣進行腐蝕后,在顯微鏡下觀察,結果見圖4。可以看出,缺陷周圍的基體組織為TC4鈦合金等軸 α和 β組織,而缺陷點組織與基體明顯不同,兩者之間存在分界面。
2.4掃描電鏡及能譜分析
對上述試樣缺陷區域進行電鏡掃描,缺陷整體情況如圖5a所示,表面粗糙,不同于正常TC4鈦合金基體組織,屬于異常組織。缺陷區域放大后如圖5b所示,缺陷處裂紋清晰可見,分析為鍛造后產生的裂紋。
進一步對該試樣的A和B兩個區域進行了能譜點掃描,掃描點數分別為7個和8個,如圖6所示。能譜掃描后各點成分見表3、表4。
由表可知,缺陷部位的Al、O、C、N元素異常偏高,其中區域A中4號點位置的O元素質量分數最大達到了22.5%,同時Al元素最大質量分數也達到24.88%,而Ti元素僅為49.67%。5號點的C元素質量分數最大為3.03%;另外區域B中的6號點N元素的質量分數最大為 1.39%。 A、B兩個區域的 V元素均偏低,個別點未檢測到V元素,這表明缺陷區是一個復雜的氧化物,并且以上元素均超出了TC4鈦合金的國標成分范圍。
表3 區域A能譜點掃描結果(質量分數/%)
Table 3 Energy-spectrum-point scan results of region A( mass fraction/%)
| 位置 | C | N | 0 | Al | Ti | V | Fe |
| 1 | 1.09 | 0.00 | 0.76 | 6.63 | 90.18 | 1.25 | 0.10 |
| 2 | 1.16 | / | 0.41 | 5.98 | 89.31 | 3.14 | 0.19 |
| 3 | 1.23 | 0.00 | 0.72 | 6.17 | 90.11 | 1.77 | 0.00 |
| 4 | 2.94 | 0.00 | 22.50 | 24.88 | 49.67 | / | 0.00 |
| 5 | 3.03 | 0.81 | 11.39 | 12.05 | 70.17 | 2.43 | 0.12 |
| 6 | 1.36 | 0.00 | 1.11 | 6.98 | 90.54 | / | 0.01 |
| 7 | 1.45 | 0.00 | 1.52 | 6.39 | 90.55 | / | 0.09 |
同時對試樣黑點區域進行了能譜面掃描和線掃描,結果見圖7和圖8。
通過比對缺陷掃描區域與元素分布情況,顯示除0元素明顯集中富集在缺陷處外,C元素也存在
表4 區域B能譜點掃描結果(質量分數/%)
Table 4 Energy-spectrum-point scan results of region B( mass fraction/%)
| 位置 | C | N | O | Al | Ti | V | Fe |
| 1 | 1.48 | 0.65 | 3.48 | 6.36 | 85.19 | 2.83 | 0.00 |
| 2 | 1.44 | 0.00 | 8.10 | 8.27 | 79.23 | 2.96 | 0.01 |
| 3 | 2.43 | 0.00 | 14.63 | 13.21 | 67.61 | 2.05 | 0.08 |
| 4 | 1.51 | 0.00 | 1.93 | 5.91 | 87.76 | 2.89 | 0.00 |
| 5 | 1.34 | 0.63 | 0.35 | 5.80 | 89.48 | 2.33 | 0.07 |
| 6 | 1.17 | 1.39 | 0.90 | 6.17 | 87.18 | 3.05 | 0.14 |
| 7 | 1.38 | 0.29 | 0.68 | 5.47 | 88.00 | 4.11 | 0.07 |
| 8 | 2.42 | / |
| 5.71 | 88.71 | 3.16 | / |
一定的富集,其余元素A1、V、N、Fe富集不明顯,這說明缺陷處的0元素含量整體偏高(如圖7b),覆蓋黑點缺陷區域;從線掃描情況來看,掃描范圍包括缺陷區與基體區,中間部位為缺陷區,曲線顯示 0元素的分布情況與面掃結果相符,且 C元素含量在缺陷區存在一定的升高，基體區無明顯的突變。
2.5硬度測試
對試樣上黑點區域(如圖1所示)和正常基體區域進行硬度測試,加載壓力10N、加載時間15s,共測試4個點,黑點區域平均硬度HV1為303.5,正常基體區域平均硬度HV1為282。
黑點區域的平均硬度值比基體區域高。這是由于雜質元素O、C含量高,導致缺陷區域硬度提高,這與前面分析相符。
3、分析討論
低倍組織中可以看出與基體明顯不同的微小點狀物,高倍顯微組織中正常基體部位為α+β的等軸組織,缺陷部位組織異常,且硬度較高,內部存在點狀物,與正常基體部分存在明顯界面。缺陷處0元素和Al元素含量遠高于基體的含量，基于上述特點,該缺陷比較符合非金屬硬夾雜缺陷的特性,屬于非金屬夾雜缺陷。由于鑄錠中存在硬夾雜，因缺陷處的硬度值與基體存在較大差異，鍛造中受力不同在缺陷處產生微小裂紋和孔洞,在進行超聲波探傷的時候出現缺陷波。
進一步的能譜分析檢測結果(圖8)表明,缺陷處的成分與基體的成分檢測結果相比有較大區別,尤其是O、C元素,線掃描呈現200~500μm范圍含量高,兩端少的分布,這表明中間缺陷區域屬于低密度偏析區域。這些元素的增加導致缺陷區的硬度升高變脆,綜合判定此缺陷屬于冶金缺陷,是由于熔煉生產過程中受到O、C等污染的鈦塊進入了VAR熔煉爐中,未充分擴散而形成了富氧的低密度偏析區域。生產中可能帶入雜質的環節主要為原料挑選和電極焊接，如在電極壓制中帶入了污染的鈦塊，焊接過程中因保護不當導致焊疤氧化，熔煉中熔煉爐掉入的氧化物，均有可能帶入夾雜。
Ti的氧化物主要為 Ti O 2 ,其熔點約 1840 °C,VAR爐中熔池溫度能達到1800℃以上,很容易在VAR熔煉過程中溶解。因而鈦的熔煉生產中一般不會形成鈦的氧化物夾雜，但若局部氧含量過高，氧含量增高會導致等效鋁含量的增大，此時富氧帶周圍易于形成Ti3Al相彌散析出[8]。能譜掃描(表2、表3)顯示缺陷區域某些點的O和Al元素的含量遠遠高于缺陷區整體的含量，可能存在Ti3Al組織的析出(如圖6a中的點4,圖6b中的點3),并未有相關文獻說明在TC4鈦合金熔煉中存在Al2O3夾雜的可能,并且鋁表面的薄氧化層會阻止內部進一步氧化，因此該處析出Ti3Al組織可能性極大。缺陷區域力學性能與TC4鈦合金基體相比有很大區別,容易在后續鍛造加工過程中出現裂紋和孔洞。由圖3金相顯示的裂紋可見,裂紋在缺陷區域分布零散,而能譜點掃顯示雜質元素分布存在不均勻，也說明缺陷為非金屬夾雜冶金缺陷。
4、結論
1)TC4鈦合金鍛件缺陷處元素分布不均,O、Al、C、N等元素含量偏高，這是非金屬夾雜冶金缺陷，是由于在鑄錠熔煉生產中帶入的氧化物而未充分擴散形成的，過高的氧會導致富氧帶區域的等效鋁含量的升高，從而析出Ti3Al脆硬化相,在后續鍛造過程中因力學性能不同產生微裂紋，導致鍛件探傷不合格。
2)針對VAR爐熔煉鈦鑄錠的生產過程,嚴格控制原料的質量,電極壓制前應選料;焊接時焊疤氬氣保護到位，高要求用途的可使用真空焊箱或爐內焊接工藝;熔煉前對爐室、輔助電極及坩堝整體清理。以上措施可以有效避免熔煉過程中形成夾雜,從而減少鍛件缺陷。
參考文獻:
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（注，原文標題：TC4鈦合金鍛件缺陷分析）
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