純鈦板材裂紋與鑄錠質(zhì)量關(guān)聯(lián)性研究

戴 山，張 薇，吳 東，曲家東，趙兵兵，高尚飛，鄧作鵬

純鈦板材裂紋與鑄錠質(zhì)量關(guān)聯(lián)性研究

戴 山1，張 薇2，吳 東1，曲家東1，趙兵兵1，高尚飛1，鄧作鵬1

（1.中鋁沈陽有色金屬加工有限公司, 遼寧 沈陽 110100；2.沈陽飛機工業(yè)（集團)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

利用金相顯微鏡、掃描電鏡及EDS能譜儀等多種測試方法，分析板材線性缺陷形貌特征、形成機理，指出鑄錠質(zhì)量對板材表面影響因素，進而提出自耗爐在縱向磁場作用下非金屬夾雜凝固模型。此外，用純鈦類鑄錠一次錠處理對模型進行驗證。

純鈦；線性裂紋；非金屬夾雜；表面處理

純鈦類板材是用海綿鈦作為原料，經(jīng)兩次自耗爐熔煉、鍛造、軋制后得到的產(chǎn)品，但鈦板材加工使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)線性裂紋、縮松、翹皮等缺陷[1-4]，其中線性裂紋出現(xiàn)概率最為廣泛，對板材產(chǎn)出影響最為嚴重，李獻軍[5]研究表明：經(jīng)多次真空自耗電弧爐熔煉可有效均勻化、去除揮發(fā)性物質(zhì)和非金屬雜質(zhì)，保證最終板帶材產(chǎn)品質(zhì)量，但加工成本大幅度增加；王瑞琴等[6]提出用砂光設(shè)備進行板材砂光處理，然后進行表面噴砂，但砂光、噴沙后表面色差難以消除，影響最終產(chǎn)品質(zhì)量，因此分析其缺陷特征、形成機理及預(yù)防措施，保證最終產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟成本尤為重要。

1 實驗方案

選用5 mm厚度退火酸洗態(tài)商用工業(yè)純鈦TA1板材為實驗對象，取有無缺陷2種試樣，經(jīng)宏微觀觀察、能譜分析及硬度測試，確定板材線性缺陷類型及失效原因。

2 組織觀察及分析

2.1 表面裂紋宏觀形貌觀察

如圖1所示：缺陷板材可見縱向線性缺陷，長度約為100 mm，缺陷頭尾兩端顯示清晰，深度稍深，且可見薄片分層現(xiàn)象，由于酸洗，缺陷位置稍黃，卷材表面粗糙，正常卷材表面形貌細膩，未見線性缺陷。

圖1 純鈦板材宏觀形貌圖

2.2 表面裂紋微觀觀察

圖2所示：缺陷處可見開裂特征，微觀呈滑移特征，由于試樣已被酸洗，缺陷處斷裂特征不典型，主要表現(xiàn)出腐蝕的形貌。圖3可見大量的晶粒特征，且晶面光滑，還可見滑移特征，與故障卷材表面形貌差異較大。

圖2 純鈦板材線性缺陷微觀形貌

圖3 純鈦板材無缺陷微觀形貌圖

2.3 金相組織觀察

對有線性缺陷試樣金相腐蝕后進行高倍組織觀察，見圖4(a、b)。缺陷區(qū)域裂紋存在較薄的富氧層，厚度約為6 μm，且富氧層發(fā)生開裂，表面相對較粗糙；心部組織呈單相α等軸晶，晶粒內(nèi)部呈類似魏氏組織特征。如圖4(c、d)所示，無缺陷板材表面除了酸洗腐蝕坑外，相對較平坦；心部晶粒均勻，少量晶粒內(nèi)部可見類似魏氏組織特征。

圖4 純鈦板材線性有無缺陷金相組織

如圖5對缺陷板材處各個區(qū)域進行能譜分析，可知裂紋處除了含有Ti元素外，還含有大量的O元素和F元素，其它位置未見異常元素，見表1。

2.4 硬度測試

在線性缺陷板材進行維氏硬度測試，測試位置和結(jié)果見圖6。由測試結(jié)果可知，線性缺陷板材表層硬度范圍為162~206 HB，平均值為181 HB，近表層和心部硬度范圍為102~129 HB，心部硬度平均值為107 HB，遠小于表層硬度。

表1 線性缺陷能譜分析結(jié)果 %

圖5 線性缺陷形貌

圖6 線性缺陷區(qū)域硬度測試

3 分析與討論

板材線性裂紋方向與軋制方向一致，板面裂紋數(shù)量不定，長短不一，形狀近似橢圓形，成開口狀裂開，缺陷僅為淺表裂紋，并伴有細微二次裂紋，裂紋處除Ti元素外，還含有大量的O元素和F元素，其他位置未見異常元素，裂紋表面處維氏硬度遠高于板材內(nèi)部硬度值。裂紋處存在于基體界面分明不規(guī)則塊狀物，由以上分析，可判斷此缺陷應(yīng)為非金屬夾雜物，由于夾雜物不能固溶基體或形成金屬間化合物，從而破壞金屬基體連續(xù)性，降低界面結(jié)合力，在塑性變形過程中金屬流動不一致，非金屬夾雜與基體間形成線性裂紋。

非金屬夾雜是鑄錠冶金缺陷，具有較高硬度和脆性[7-9]，其產(chǎn)生原因繁多，但如何保證后續(xù)板材質(zhì)量是本文研究重點，通過對自耗爐外加磁場金屬凝固過程進行研究，發(fā)現(xiàn)在磁場剪切力作用下，金屬間的氧化夾雜到達熔池邊緣，易于達到形核過冷度，發(fā)生非均勻形核，如圖7所示。在自耗爐一次熔煉后，增加表面車光工序，將一次錠表面夾雜去掉后在進行二次熔煉，基本解決夾雜對后續(xù)板材生產(chǎn)影響。

→－熔煉電流I的方向；－磁場力F的方向；B－磁場方向；⊙－穏弧電流方向

圖8 產(chǎn)品表面實例圖

純鈦類板材共進行11批次一次錠車光、軋制實驗，工序過程如圖8所示。板材整卷缺陷統(tǒng)計見表2。

表2 一次錠處理表面缺陷統(tǒng)計表

4 結(jié)論

（1）基于純鈦板材缺陷特征，結(jié)合非金屬夾雜特性，推導(dǎo)出非金屬夾雜在自耗爐金屬熔池縱向磁場作業(yè)下凝固模型；

（2）純鈦鑄錠一次錠處理試驗表明，鑄錠經(jīng)一次錠處理后，可解決非金屬夾雜產(chǎn)生線性缺陷對板材影響。

[1] Attar H, calin M, Zhang L C, et al. Manufacture by selective laser melting and mechanical behavior of commercially pure titanium[J]. Materials Science and Engineering, 2014, 593(2): 170-177

[2] Bellot J P, Foster B, Hans S. Dissolution of hard-alpha Inclusions in liquid titanium alloys[J]. Metallurgical and materials transaction B,1997, 28: 1011-1010.

[3] Kanchan M, Kelkar, Suhas V, et al. Computational modeling of the cacuum are remelting(VAR) process used for the production of ingots of titanium alloys[C]. the 11th World Confernce On Titanium, Japan, Kyoto, 2007: 127-132.

[4] 祝新民, 馮光宏, 張紅亮. 純鈦帶冷軋起筋缺陷分析[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(19): 227-230.

[5] 李獻軍. 真空自耗電弧爐熔煉技術(shù)和鑄錠質(zhì)量問題[J].鈦工業(yè)進展, 2001(3): 16-22.

[6] 王瑞琴, 黃先明, 吳曉東, 等. 冷軋板帶材缺陷分析與討論[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(13): 147-152.

[7] 張英明, 周廉, 孫祥云. Ti及Ti合金中LDI夾雜的消除[J]. 有色金屬, 1999, 51(3): 72-75.

[8] 韓明臣, 張英明, 周義剛, 等. TC4合金電子束冷床爐熔煉過程中LDI和HDI的去除[J]. 稀有金屬材料與工程, 2008, 37(4): 665-669.

[9] Clifford E, Shamblen, Andrew P. Progress in Titanium-Alloy Hearth Melting[C]. 16th Electron Beam Melting and Refining Conference, Reno, Nevada, 2000: 273-281

Correlation Between Linear Crack and Quality of Ingot in Pure Titanium Plate

DAI Shan1, ZHANG Wei2, WU Dong1, QU Jia-dong1, ZHAO Bing-bing1, GAO shang-fei1, DENG Zuo-peng1

(1. Chinalco Shenyang Non-ferrous Metals Processing Co.,Ltd .., Shenyang 110100, China;2.Shenyang Aircraft Industry (Group) Co.,Ltd.., Shenyang 110000, China）

The morphology and formation mechanism of linear crack were analyzed by means of metallographic microscope, scanning electron microscopy(SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The results exhibit that influencing factors are between quantity of ingot and plate surface, the non-metallic model is formed during solidification when self-consuming furnace is influenced by electric field (longitudinal direction). Furthermore, the proposed model is validated by once ingot treatment of the pure ingot under this circumstance.

pure titanium; linear crack; non-metallic inclusion; surface treatment

TG339

A

1674-3261(2021)01-0034-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.01.008

2020-01-17

戴山(1986-)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，碩士。

責任編校：劉亞兵