Ti31鈦合金棒材白斑缺陷分析

郭征 李維 何偉

摘 要 某Ti31鈦合金棒料加工產(chǎn)品，在進(jìn)行低倍檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)存在白斑，經(jīng)過顯微組織觀察、微區(qū)成分分析和顯微硬度測試，確定該批Ti31鈦合金棒材為富鈦偏析。為了消除此類缺陷，建議在Ti31鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦與中間合金粒度的均勻性以及混料時(shí)化學(xué)成分的均勻性。

關(guān)鍵詞 Ti31鈦合金;白斑缺陷;富鈦偏析

引言

Ti31（Ti-3Al-1Zr-1Mo-1Ni）是一種中強(qiáng)度近α型鈦合金，由于其良好的高溫耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性、可焊性與良好的綜合力學(xué)性能，Ti31合金已應(yīng)用于核動力裝置等重要領(lǐng)域[1]。

Ti31合金長期在300℃～400℃的高溫環(huán)境中服役，這對材料性能要求非常高。如果服役材料成分不均勻，必然會引起宏觀及顯微組織的異常，而這種異常會使材料在整體上表現(xiàn)為性能不均勻，最終導(dǎo)致局部發(fā)生過腐蝕現(xiàn)象，降低使用壽命，是使用安全性的極大隱患。

本文探討了Ti31合金棒材低倍檢查中遇到的白斑情況，并對其進(jìn)行了分析與判定，旨在為提高生產(chǎn)質(zhì)量，為檢驗(yàn)提供借鑒。

1實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

筆者在對某Ti31鈦合金棒料進(jìn)行低倍觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)個形狀不規(guī)則的白斑。如圖1所示，推斷為冶金缺陷。為準(zhǔn)確判定缺陷類型，進(jìn)一步分析缺陷產(chǎn)生的原因，從而為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供幫助，本文對該Ti31鈦合金產(chǎn)品進(jìn)行了進(jìn)一步檢測分析。

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)果符合技術(shù)協(xié)議要求，說明整批材料的化學(xué)成分沒有問題。

然后鈦合金鑄錠在相變點(diǎn)以上開坯，下料后，再經(jīng)過多次墩拔鍛造，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)行顯微硬度測試。

2結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2、圖3可見，Ti31鈦合金白斑區(qū)域與正常區(qū)域的顯微組織均差異非常大，白斑區(qū)域?yàn)閱蜗唳两M織，而正常區(qū)域?yàn)棣?β兩相區(qū)加工的組織，所有原始β晶界充分破碎，是典型的雙態(tài)組織。根據(jù)生產(chǎn)工藝與熱處理來說，正常的顯微組織為α+β兩相區(qū)加工的組織，該樣品正常區(qū)域的顯微組織是正確的。而白斑區(qū)域是單相α組織，發(fā)生明顯的α偏聚，這是典型的偏析缺陷。因此，從顯微組織的結(jié)果可以認(rèn)為白斑區(qū)域?yàn)槠鋈毕?，但無法判定偏析的具體類型。

2.2 微區(qū)成分分析

用顯微組織檢驗(yàn)完畢的試樣切取其中包含正常區(qū)和缺陷區(qū)的一小塊作為掃描電鏡試樣，進(jìn)行區(qū)域標(biāo)識，采用EDS（掃描電鏡的能譜儀）分別對正常區(qū)與缺陷區(qū)進(jìn)行微區(qū)成分分析，并用SEM進(jìn)行組織觀察，檢測區(qū)域如圖4所示，結(jié)果見表2，SEM觀察照片見圖5。

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)成分的檢測結(jié)果，整批材料的化學(xué)成分是合格的。但是，在白斑缺陷區(qū)域Al、Zr、Mo相比于正常區(qū)域明顯偏低，Ti元素含量相比于正常區(qū)域明顯偏高。由此，我們判斷該Ti31合金棒材的缺陷為富鈦偏析。

2.3 硬度檢測

分別對缺陷區(qū)和正常區(qū)域進(jìn)行顯微維氏硬度測試。結(jié)果如表3所示。由表3可見，缺陷區(qū)的硬度要明顯低于正常區(qū)域，這符合由于合金化不足引起的富鈦偏析的特點(diǎn)。

2.4 力學(xué)性能

該批Ti31鈦合金棒材的力學(xué)性能如表4所示，均符合技術(shù)協(xié)議要求。

2.5 超聲檢測

除上述方法外，我們還試圖用超聲探傷的方法對缺陷進(jìn)行分析。但在用超聲波對黑斑缺陷區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行探傷時(shí)，超聲波反射信號無差異，因此，用超聲波探傷無法檢測該缺陷。

2.6 討論

這種化學(xué)成分偏析在該牌號鑄錠的生產(chǎn)過程中就形成了，與鑄錠的熔煉工藝與過程密切相關(guān)。目前生產(chǎn)企業(yè)大多采用三次真空熔煉自耗電弧爐熔煉法，而這種熔煉方法生產(chǎn)的鑄錠中的化學(xué)成分偏析問題也很常見。這很可能是由于海綿鈦粒度不均勻、中間合金混料過程中的分布不均勻造成的。這會引起局部區(qū)域合金元素的富集與貧乏，導(dǎo)致該區(qū)域的相變點(diǎn)偏離正常溫度，而在后續(xù)的熱加工過程中，就逐漸演化為異常組織，形成冶金缺陷[2]。

雖然這類缺陷對使用影響較小，但還是要消除此類缺陷。建議在Ti31鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦粒度的均勻性以及中間合金混料時(shí)化學(xué)成分的均勻性[3]。

3結(jié)束語

（1）經(jīng)過顯微組織觀察、微區(qū)成分分析及掃描電鏡觀察和顯微硬度測試，確定該批Ti31鈦合金棒材為富鈦偏析。

（2）建議在Ti31鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦與中間合金粒度的均勻性以及混料時(shí)化學(xué)成分的均勻性。

參考文獻(xiàn)

[1] 李維，康聰，侯智敏，等.熱處理對Ti31合金顯微組織與力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝，2019，48（16）：169-170，173.

[2] 陳勝川，劉彥昌，陳睿博，等.擠壓溫度對Ti31合金管坯組織和力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝，2018，47（7）：145-147.

[3] 何偉，楊軍紅，杜小平，等.TA15鈦合金棒材分析[J].宇航材料工藝，2015，45（2）：85-87.