TC6鈦合金棒材偏析缺陷分析

鄭翠萍，田 園，李雅馨，劉婭玲，高 婷，韓明臣，舒 瀅

（西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016）

TC6（Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si）是一種綜合性能良好的馬氏體型α+β兩相鈦合金。由于TC6是兩相鈦合金，如果微區(qū)成分不均勻，會導(dǎo)致異常區(qū)域與正常區(qū)域硬度的顯著差異，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帶來極大隱患。鈦合金制品中不可避免地會存在一些冶金缺陷，如偏析、夾雜等，這些缺陷的存在將會對制品的組織、力學(xué)性能和后續(xù)使用的可靠性帶來嚴(yán)重影響[1-3]。這也是鈦工業(yè)工作者一直以研究和致力解決的問題。

TC6鈦合金其名義成分為Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5 Fe-0.3Si，標(biāo)準(zhǔn)要求的TC6鈦合金的化學(xué)成分（如表1所示）。該合金可在400℃～450℃下長時(shí)間工作，主要用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)動(dòng)件及緊固件等。

TC6合金一般采用兩次或三次真空自耗熔煉成錠，經(jīng)開坯鍛造或軋制，再經(jīng)模鍛和其它熱加工工藝過程成為航空零部件。

在TC6鈦合金棒材的生產(chǎn)檢驗(yàn)過程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了兩種肉眼可見的冶金缺陷，即亮條和暗斑。為確定這些缺陷的屬性，采用了光學(xué)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、顯微硬度計(jì)進(jìn)行了檢驗(yàn)和鑒別，并提出了相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施。

1 缺陷的分析和鑒別

TC6棒材的生產(chǎn)流程為：海綿鈦、中間合金（AlMo、AlSi、AlFe）和純鋁、鈍鉻，經(jīng)配料、電極壓制焊接成自耗電極，三次真空自耗電弧爐熔煉成鑄錠，兩相區(qū)多火次鐓拔鍛造成大規(guī)格棒材，或再通過精鍛、軋制成小規(guī)格棒材。對于生產(chǎn)的φ13mm、φ85mm和φ150mm三種規(guī)格的TC6鈦合金棒材，低倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了肉眼可見的亮點(diǎn)（亮塊）和暗斑缺陷（見圖1和圖2）。這些缺陷的特征是，有清晰的輪廓，在個(gè)別的局部地方出現(xiàn)，沒有貫穿整根棒材，屬于非連續(xù)性的點(diǎn)狀或塊狀宏觀缺陷。

圖1 φ13 mm

圖2 φ85mm

圖3 φ150mm

1.1 光學(xué)顯微組織

圖4 φ13 mm棒材暗點(diǎn)和正常區(qū)的顯微組織

φ13mm棒材的低倍暗點(diǎn)，在產(chǎn)品超聲波探傷時(shí)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)反射波，觀察該部位的顯微組織，發(fā)現(xiàn)除顏色與周圍有明顯的不同外，其晶粒形態(tài)、大小與周圍基體組織沒有明顯的不同，也與周圍基體沒有明確的界限。φ85mm棒材的低倍亮斑，其顯微組織顯示為片狀α，其中初生α很少或幾乎沒有，缺陷部位與周圍基體的界限相對明顯，并存在過渡區(qū)。φ150mm的TC6棒材的黑斑，在棒材超聲波檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)雜波高，黑斑區(qū)的顯微組織除顏色與周圍有明顯的不同外，其晶粒形態(tài)、大小與周圍基體組織沒有明顯的不同，也與周圍基體沒有明確的界限，周圍有過渡區(qū)。

表1 TC6鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

圖5 φ85 mm棒材亮斑的顯微組織

圖6 φ150 mm棒材黑斑的 顯微組織

1.2 能譜分析和顯微硬度

利用掃描電鏡的能譜分析，對φ13 mm暗點(diǎn)區(qū)進(jìn)行了微區(qū)成分分析（表2），發(fā)現(xiàn)暗點(diǎn)區(qū)與正常區(qū)相比，Al、Cr、Mo、Fe、Si均有明顯差異。顯微硬度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，暗點(diǎn)區(qū)與正常區(qū)也有明顯的差別（正常區(qū)：341.7亮點(diǎn)區(qū)：282.3)。對φ85mm亮斑的微區(qū)成分分析結(jié)果表明（表3），基體里的鋁平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.11%，亮斑區(qū)鋁的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.30%，且碳氧含量較基體高。亮斑處的顯微硬度，明顯高于基體（正常區(qū)：332.6，亮斑區(qū)：430.3)。對φ150mm黑斑區(qū)的微區(qū)成分分析結(jié)果表明（表4），黒斑區(qū)成分除Mo、Cr有明顯差別外，其他元素成分與正常區(qū)基本一致。顯微硬度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑斑區(qū)與正常區(qū)也有明顯的差別（正常區(qū)：330.6，黑斑點(diǎn)區(qū)：302.3)。

表2 φ13 mm棒材的微區(qū)化學(xué)成分

表3 φ85 mm棒材的微區(qū)化學(xué)成分

2 分析討論

在光學(xué)顯微鏡下，材料形成暗點(diǎn)或暗斑，多數(shù)是富β的偏析，如暗斑，雖然α穩(wěn)定元素Al、β穩(wěn)定元素Mo較基體區(qū)稍少，但Cr、Fe、Si的含量較基體高，最終導(dǎo)致該區(qū)的β相含量升高；而黑斑，其元素Cr含量雖然有所減少，但Mo的含量較基體提高了1倍，也導(dǎo)致了該區(qū)β相含量升高，形成β偏析。材料中存在亮點(diǎn)或亮斑，富α的偏析居多，如亮斑，Al和間隙元素C、O等α穩(wěn)定元素含量的升高，導(dǎo)致該區(qū)α相含量增多。由于在兩相合金中，較之α相，β相的耐蝕性稍差，在金相試樣上表現(xiàn)為富β偏析的顏色發(fā)暗，富α偏析的顏色發(fā)亮。

從其生產(chǎn)過程分析，對于不連續(xù)、呈點(diǎn)狀分布的顏色發(fā)暗的富β偏析，更多是因?yàn)榕淞祥g合金成分不均勻，而顏色發(fā)亮、碳氧偏高的富α偏析，則應(yīng)是混入了氧、碳污染了的海綿鈦或中間合金。自耗電極電弧熔煉是一個(gè)邊熔化邊結(jié)晶的過程。電弧熔煉整體熔池溫度過熱度有限，特別是氧、碳污染的海綿鈦，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鈦，熔煉過程中很難熔化，且熔池保持液態(tài)的時(shí)間短，最終保留到鑄錠中，導(dǎo)致偏析。

TC6鈦合金棒材偏析，導(dǎo)致缺陷區(qū)域和正常區(qū)域存在明顯的硬度差別，又必然會導(dǎo)致鈦合金材料整體范圍內(nèi)的性能不均勻，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能，尤其是偏析區(qū)域與正常區(qū)域界面容易應(yīng)力的集中，進(jìn)而萌生疲勞裂紋，降低鈦合金材料的可靠性和使用壽命。

按偏析區(qū)域與正常區(qū)域硬度的高、低差別分類，可將鈦合金的偏析分為脆性偏析與非脆性偏析兩類[1]。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如產(chǎn)品中僅存在軟偏析，且各項(xiàng)性能符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，一般切除該偏析部位后，產(chǎn)品仍可組批交付。富碳、氧，硬度明顯高于基體，應(yīng)屬于脆性偏析。脆性偏析對產(chǎn)品整體性能和質(zhì)量影響較大，不允許剔除后使用，應(yīng)整批報(bào)廢。

表4 φ150 mm棒材的微區(qū)化學(xué)成分

3 結(jié)論和建議

（1）TC6鈦合金棒材中的偏析，在組織形貌上一般以亮斑或黑斑形式存在，可以分為脆性偏析和非脆性偏析，偏析缺陷的形成主要與合金的制備過程和原料的使用有關(guān)。

（2）為了減少或消除合金鑄錠中的偏析，應(yīng)從原料選擇、電極制備、合金熔煉等工藝的優(yōu)化、現(xiàn)場管理和過程控制著手，建議如下：①優(yōu)化中間合金的添加形式和電極布料方式，確保各種配料均勻分布，用合金包配制合金時(shí)，應(yīng)確保每種合金元素在合金包內(nèi)均勻分布，用混料方式配制合金時(shí)，應(yīng)考慮各種添加原料（包括海綿鈦）的粒度，盡可能保持其粒度相近或一致；②避免使用回收的鈦屑熔煉鈦錠，如果使用，則應(yīng)采取措施將鈦屑表層的污染層去除干凈；③盡量選用質(zhì)量有保證的海綿鈦，同時(shí)應(yīng)采用措施將被碳、氧、氮污染了的海綿鈦挑選出去；④優(yōu)化鑄錠的熔煉參數(shù)，在穩(wěn)定熔煉階段，確保熔煉電流和弧壓的穩(wěn)定，使用合適的攪拌方式和攪拌參數(shù)，以防止電流和電壓的波動(dòng)影響熔煉過程中熔化和凝固的平衡狀態(tài)。⑤鑄錠開坯時(shí)，為了減輕鑄錠中的偏析，鍛造前可以將鑄錠在β相區(qū)以上較高溫度長時(shí)間保溫，使偏析區(qū)和基體的合金元素得到相對較為充分的擴(kuò)散，使微區(qū)的成分得到一定程度的均勻化，改善微觀偏析。