TC17鈦合金中的偏析現(xiàn)象研究

李 維，贠鵬飛，侯 鵬，廖 強(qiáng)，李進(jìn)元，李 楠，蒲 宣

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

0 引言

鈦合金作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，因其綜合性能（比強(qiáng)度、抗腐蝕性、熱強(qiáng)性）優(yōu)異，被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［1，2］。TC17合金是一種綜合性能優(yōu)良的近β型合金，該合金不但具有較高的強(qiáng)度、斷裂韌性、熱穩(wěn)定性及疲勞性能，而且淬透性高、熱加工性能好［3］。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，該合金以優(yōu)異的性能逐漸進(jìn)入航空制造領(lǐng)域，并作為壓氣機(jī)盤(pán)等鍛件的材料在較高推力的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用［4－6］。由于該合金中添加了大量的合金元素，熔煉過(guò)程如控制不當(dāng)，極易產(chǎn)生偏析。因此有必要對(duì)其中偏析的形貌、合金元素的富集狀況及分布規(guī)律進(jìn)行研究，以便針對(duì)性地優(yōu)化目前的熔煉工藝，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的TC17鈦合金奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用TC17鑄錠由西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，鑄錠直徑為Φ620mm，經(jīng)3次真空自耗熔煉而成，對(duì)該鑄錠上、中、下3點(diǎn)圓周進(jìn)行取樣分析，其化學(xué)成分符合G/BT3620.1－2007標(biāo)準(zhǔn)要求。

用金相法測(cè)得該鑄錠的相變點(diǎn)為875℃～880℃。鑄錠經(jīng)扒皮、切除冒口及錠底后轉(zhuǎn)入鍛造工序。用2 500t壓機(jī)對(duì)鑄錠進(jìn)行β單相區(qū)開(kāi)坯、近β區(qū)拔長(zhǎng)、滾圓。用SX-16精鍛機(jī)在а＋β兩相區(qū)將滾圓坯料精鍛至Φ60mm，最終采用250軋機(jī)在相變點(diǎn)以下40℃～50℃軋制分別制得Φ32mm和Φ17mm兩種規(guī)格的棒材，并機(jī)加成Φ30mm和Φ15mm的成品棒材。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)成品棒材進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，對(duì)低倍存在問(wèn)題的部分制備高倍試樣，在OLYMPUS PMG3金相顯微鏡進(jìn)行試樣金相組織觀察，利用能譜（EDS）對(duì)異樣部位進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低倍組織和高倍組織

在兩種規(guī)格棒材上切取低倍試樣，進(jìn)行低倍組織觀察，圖1為兩種TC17棒材的低倍組織，結(jié)果表明低倍組織均存在亮斑。由圖1（a）可見(jiàn)Ф30棒材的亮斑分布在距離圓心17mm范圍內(nèi)，由圖1（b）可見(jiàn)Ф15棒材的亮斑分布在距離圓心8mm范圍內(nèi)。進(jìn)一步對(duì)上述兩種規(guī)格的棒材進(jìn)行高倍檢查，兩種規(guī)格TC17棒材的偏析處的高倍組織見(jiàn)圖2。

圖1 TC17棒材的低倍組織

觀察圖2，可以發(fā)現(xiàn)亮斑處的組織在放大倍數(shù)為100倍時(shí)呈現(xiàn)為條狀或塊狀白斑，當(dāng)放大倍數(shù)為500倍時(shí)可以明顯地看到偏析處的組織為魏氏組織。在高倍分析時(shí)對(duì)偏析區(qū)域的尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明Ф15 mm棒材中偏析區(qū)域的尺寸相對(duì)較小，尺寸范圍在（118～265）mm×（51～131）mm；Ф30mm棒材中偏析區(qū)域的尺寸相對(duì)較大，尺寸范圍在（220～530）mm×（62～298）mm。

2.2 對(duì)亮斑進(jìn)行能譜分析

為了進(jìn)一步明確偏析處的元素分布狀況，分別對(duì)亮斑區(qū)及正常區(qū)域的主元素進(jìn)行了能譜分析，利用能譜分析測(cè)定亮斑區(qū)與基體區(qū)的合金元素的含量。對(duì)基體和亮斑區(qū)各選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，1號(hào)～6號(hào)為基體測(cè)量數(shù)據(jù)，7號(hào)～12號(hào)為亮斑區(qū)測(cè)試結(jié)果?；w與亮斑區(qū)合金元素測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3表明：亮斑區(qū)Al、Sn、Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與基體基本相當(dāng)；亮斑區(qū)Mo含量略低于基體；亮斑區(qū)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與基體相比明顯偏高。

圖2 兩種規(guī)格TC17棒材偏析處的高倍組織

圖3 基體與亮斑區(qū)合金元素測(cè)量結(jié)果

將基體與亮斑區(qū)的主元素測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)：不管是基體還是亮斑區(qū)，Sn、Zr、Mo三種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)；Al在基體和亮斑區(qū)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均略高于標(biāo)準(zhǔn)值；Cr在基體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，但在亮斑區(qū)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于基體，當(dāng)然也明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求值。

表1 能譜分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

根據(jù)鈦合金相圖和合金的凝固理論，在正常的凝固條件下，偏析系數(shù)K≥1的合金元素不容易出現(xiàn)偏析，除非熔煉過(guò)程中合金元素和中間合金未能充分均勻化；K＜1的合金元素，即使熔融狀態(tài)下合金是均勻的，但在凝固過(guò)程中同一溫度下固相成分和液相成分仍存在差別，液相中元素含量總是高于固相，導(dǎo)致容易在鑄錠中心和頭部產(chǎn)生偏析。

另外偏析的元素及偏析程度決定了偏析區(qū)的實(shí)際β相變溫度，文獻(xiàn)［7］表明：在Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～7%范圍內(nèi)，Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，其相變點(diǎn)降低26℃。因此，當(dāng)鍛件在熱加工或隨后的熱處理過(guò)程中，加熱溫度接近相變點(diǎn)時(shí)，就可能造成偏析區(qū)域超過(guò)了相變點(diǎn)，出現(xiàn)β斑。

綜上所述，試驗(yàn)中兩種規(guī)格棒材中心區(qū)域出現(xiàn)β斑（亮斑）與熔煉及后續(xù)熱加工溫度有關(guān)。為了提高鑄錠的均勻性，比較有效的辦法是降低熔化電流、減緩熔煉速度、使熔池深度減小呈扁平狀以縮小等軸晶區(qū)域，同時(shí)鑄錠不宜過(guò)大，因?yàn)橹睆皆酱蟮容S晶區(qū)也越大。為了避免出現(xiàn)β斑，合金最大直徑不宜超過(guò)720mm；在熱加工和熱處理時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格限制加熱的上限，減少變形熱效應(yīng)，以使偏析區(qū)域缺乏產(chǎn)生β斑的必要條件，從而降低危害。

3 結(jié)論

（1）兩種規(guī)格TC17鈦合金棒材低倍觀察到的亮斑在高倍下呈現(xiàn)為β斑。

（2）β斑的形成原因是Cr存在偏析現(xiàn)象，且在偏析區(qū)域的含量明顯高于基體，從而導(dǎo)致偏析區(qū)域相變點(diǎn)低于基體。

（3）偏析主要集中在鑄錠的中心及頭部。

（4）對(duì)于TC17鈦合金要控制偏析，應(yīng)盡量控制熔煉和后續(xù)的熱加工和熱處理過(guò)程。

［1］鐵軍，史棟剛，張勇，等.TC4＋TC17線性摩擦焊接頭的微觀組織與力學(xué)性能［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2009，29（4）：33-37.

［2］周建華，王曉英，徐斌，等.TC17鈦合金熱變形過(guò)程中片狀組織演變規(guī)律［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29（5）：15-18.

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［4］周軍，曾衛(wèi)東，舒瀅，等.應(yīng)用熱加工圖研究TC17合金片狀組織球化規(guī)律［J］.稀有金屬材料與工程，2006，35（2）：265-269.

［5］岳旭，馮浩，馬恩惠，等.Ti-17鈦合金Φ350mm規(guī)格棒材鍛造工藝研究［J］.工藝技術(shù)研究，2012（4）：16-19.

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［7］陳可越.鈦、鈦合金與鈦合金制品生產(chǎn)新技術(shù)新工藝流程及質(zhì)量檢驗(yàn)新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)［M］.銀川：寧夏大地音像出版社，2005.