淺析金相檢測(cè)在鍛件生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉 衛(wèi)，許安寧，郝恒恒，唐志芳

(中航試金石檢測(cè)科技(西安)有限公司，陜西 西安 710089)

1 引 言

金相檢測(cè)涉及材料、機(jī)械、物理、化學(xué)等眾多學(xué)科，對(duì)于保證鍛件產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。鍛件經(jīng)金相檢測(cè)、分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)其是否有缺陷，是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鍛造工藝改進(jìn)[1]。目前，鍛件生產(chǎn)基本工藝流程為原材料下料——自由鍛——模鍛——熱處理——入庫。金相檢測(cè)貫穿于鍛件的整個(gè)生產(chǎn)過程中，是保證鍛件質(zhì)量的重要依據(jù)，也是解決鍛件生產(chǎn)問題的重要依據(jù)。因此，重視鍛件的金相檢測(cè)刻不容緩。

2 鍛件金相檢測(cè)的主要內(nèi)容

(1)宏觀組織檢查

鍛件的宏觀組織檢查主要包括試樣的低倍檢查和斷口檢查。其中，低倍檢查包括原材料低倍檢查、鍛件中間坯低倍檢查、最終交付鍛件的表面檢查以及鍛件解剖件的低倍檢測(cè)。低倍檢查通常是指機(jī)加的試樣或鍛件表面經(jīng)腐蝕后按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行目視檢查，檢查項(xiàng)目包括鍛件的鍛造流線、晶粒大小、冶金缺陷等。斷口檢查試樣不需經(jīng)過腐蝕，斷口試樣直接取自拉伸或沖擊試驗(yàn)后的試樣。

(2)顯微組織檢查

鍛件的顯微組織檢查是通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透視電子顯微鏡等儀器來研究鍛件組織大小、形態(tài)、分布等。顯微試樣制樣流程為取樣(鋸切、線切割)——磨平、倒角(磨平機(jī))——粗磨(不同粒度水砂紙)——拋光(絨布)——腐蝕[2]。不同的金屬材料按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有不同的腐蝕劑，可根據(jù)來料類型進(jìn)行選擇。不同材料鍛件的顯微組織檢查項(xiàng)目也不盡相同。例如，GH4169(IN718)鍛件顯微組織檢查的項(xiàng)目主要有晶粒度、Ni3Nb相、Laves相等，而不銹鋼鍛件顯微組織檢查項(xiàng)目則包括晶粒度、非金屬夾雜等。

(3)鈦合金原材料相變點(diǎn)測(cè)試

本文將鈦合金原材料相變點(diǎn)測(cè)試單列出來，是因?yàn)榻鹣喾ㄊ悄壳皽y(cè)試鈦合金原材料相變點(diǎn)的主要方法，其準(zhǔn)確性也較高。用金相法測(cè)試鈦合金相變點(diǎn)主要參照的標(biāo)準(zhǔn)是HB 6623.1—1992，一般將鈦合金原材料組織中3%以下初生α相的淬火溫度作為Tβ。

(4)交付鍛件質(zhì)量問題分析

由鍛件生產(chǎn)廠家交付給使用單位的鍛件在復(fù)驗(yàn)和使用過程中也會(huì)出現(xiàn)各種質(zhì)量問題，這時(shí)就需要對(duì)鍛件進(jìn)行質(zhì)量問題分析。鍛件質(zhì)量問題分析是對(duì)鍛件原材料試樣和鍛件試樣的斷口組織、低倍組織和顯微組織等進(jìn)行綜合分析，得出質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因。

3 金相檢測(cè)在鍛件生產(chǎn)過程中應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 鍛件原材料復(fù)驗(yàn)

鍛件原材料復(fù)驗(yàn)主要是為發(fā)現(xiàn)原材料中存在的各種冶金缺陷，防止其遺傳至鍛件，影響鍛件的質(zhì)量。圖1為TC17鈦合金原材料的常規(guī)低倍及空燒低倍相片，可以看出，TC17鈦合金原材料的常規(guī)低倍組織均勻，無冶金缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而空燒低倍組織不均勻，出現(xiàn)明顯清晰晶粒，且晶粒大小大于GB/T 6394—2017[3]中的M-11.0級(jí)，不合格。TC17鈦合金原材料空燒后晶粒過大、不均勻，這主要是原材料鍛造時(shí)受力不均所致。若此問題遺傳至鍛件，會(huì)導(dǎo)致鍛件晶粒不均，力學(xué)性能下降。

(a) 常規(guī)低倍 (b) 空燒低倍圖1 TC17鈦合金原材料低倍

原材料進(jìn)行金相檢測(cè)時(shí)應(yīng)充分考慮后續(xù)鍛件的質(zhì)量問題，若原材料疑似質(zhì)量問題不會(huì)對(duì)鍛件質(zhì)量產(chǎn)生影響，可予以放行。圖2為TC18鈦合金原材料不同視角的空燒低倍相片。從空燒低倍組織上來看，晶粒大小較均勻，但在低倍組織中出現(xiàn)黑色點(diǎn)狀晶粒，借助便攜式顯微鏡觀察，其顯微組織與正常區(qū)域并無差別，此種情況為不同組織對(duì)于光線的襯度不同導(dǎo)致，不影響鍛件情況，給予放行。

圖2 TC18鈦合金原材料空燒低倍

3.2 鍛件中間坯檢驗(yàn)

鍛件中間坯進(jìn)行金相檢驗(yàn)的目的主要有兩個(gè)：一是進(jìn)一步檢查原材料有無質(zhì)量問題；二是為分析鍛件質(zhì)量問題提供依據(jù)。

圖3為經(jīng)墩餅后的GH4169合金端面低倍腐蝕相片，可以看出，低倍組織正常，無冶金缺陷和鍛造缺陷，可進(jìn)行下一步模鍛。圖4為TC4-DT鈦合金鍛件低倍照片，最終檢驗(yàn)時(shí)試樣心部出現(xiàn)粗大彌散晶粒。為了確定產(chǎn)生此質(zhì)量問題的原因，重新按照原工藝鍛造了一件鍛件。鍛件經(jīng)自由鍛打完荒形后，在鍛件荒形上切取毛邊試樣，對(duì)毛邊試樣按照鍛件最終熱處理制度進(jìn)行熱處理，然后進(jìn)行低倍檢測(cè)。從毛邊低倍圖片可以看出，TC4-DT鈦合金鍛件低倍組織均勻，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此可以排除自由鍛工序?yàn)殄懠霈F(xiàn)上述質(zhì)量問題的原因。

圖3 GH4169合金低倍腐蝕相片

(a)鍛件低倍 (b)荒形低倍圖4 TC4-DT鈦合金鍛件低倍照片

3.3 鍛件最終的金相檢驗(yàn)

鍛造、熱處理后的鍛件必須經(jīng)過最終檢驗(yàn)，合格后方能入庫。金相檢驗(yàn)在鍛件最終檢驗(yàn)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，金相檢驗(yàn)不合格，則整批鍛件報(bào)廢。

首先，鍛件最終檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)原材料復(fù)驗(yàn)時(shí)未發(fā)現(xiàn)的冶金缺陷。圖5為最終交付的30CrMnSiA鍛件低倍，此批鍛件原材料復(fù)驗(yàn)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，但從鍛件低倍上可發(fā)現(xiàn)淺灰色斑點(diǎn)，最初懷疑為點(diǎn)狀偏析。最后借助能譜儀分析灰色斑點(diǎn)的化學(xué)成分，確定為點(diǎn)狀偏析，此缺陷為原材料遺傳至鍛件的缺陷。原材料復(fù)驗(yàn)只是抽取部分試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于缺陷檢查率不能達(dá)到100%。鍛件發(fā)現(xiàn)原材料質(zhì)量問題，不僅此批鍛件報(bào)廢，同批原材料也被確定為不合格，退回原廠家。

圖5 30CrMnSiA鍛件低倍

其次，鍛件最終金相檢驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)因工藝不當(dāng)或者設(shè)備故障而出現(xiàn)的質(zhì)量問題。圖6(a)為TC4-DT梁鍛件的解剖件低倍，可以看出，低倍組織中局部晶粒過大。對(duì)鍛件每個(gè)工序進(jìn)行問題排查，最終確定為鍛造加熱時(shí)加熱爐跑溫所致。圖6(b)為Ti60鈦合金盤類鍛件的顯微組織，可以看出，此鍛件顯微組織中初生α含量過少，不符標(biāo)準(zhǔn)要求。由于此鍛件的直徑達(dá)1000mm，導(dǎo)致鍛造過程中鍛件各部分組織不均勻。最終經(jīng)過分析，確定為鍛造工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)所致。

(a) TC4-DT鈦合金梁鍛件低倍

(b) Ti60鈦合金鍛件高倍圖6 鈦合金鍛件顯微組織相片

4 金相檢測(cè)在交付鍛件質(zhì)量分析中的應(yīng)用實(shí)例

交付使用的鍛件不可能實(shí)現(xiàn)100%檢查，存在一定質(zhì)量問題是不可避免的。圖7為交付給客戶的IN718鍛件低倍照片。在復(fù)驗(yàn)機(jī)加時(shí)，鍛件局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)坑狀缺陷，呈麻點(diǎn)狀分布。針對(duì)上述問題，對(duì)該缺陷產(chǎn)生的原因展開了分析和問題排查。在排除了鍛造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生點(diǎn)坑狀缺陷的可能性后，通過試驗(yàn)證明，缺陷產(chǎn)生的原因?yàn)楸砻鏆埩羲嵋航?jīng)揮發(fā)提純與鍛件局部發(fā)生反應(yīng)形成了過腐蝕點(diǎn)狀坑。

將取自該IN718鍛件解剖件的試樣進(jìn)行酸浸試驗(yàn)，觀察坑洞形成過程，見圖8?？梢钥闯?，鍛件原始顯微組織未見異常情況，呈鏈狀分布碳化物聚集。對(duì)該試樣進(jìn)行酸浸并在空氣中暴露24h后，觀察高倍組織，碳化物區(qū)域與周圍基體組織的顯微鏡景深出現(xiàn)差異，說明碳化物區(qū)域腐蝕反應(yīng)速度高于基體組織。繼續(xù)對(duì)該試樣進(jìn)行酸浸并在空氣中暴露24h后(累計(jì)暴露48h)，觀察高倍組織，碳化物區(qū)域與周圍基體組織的顯微鏡景深差異加大，并可明顯看到原碳化物位置處形成較大坑洞。

圖7 IN718鍛件缺陷照片

(a)原始組織淺腐蝕 (b)深腐蝕24h (c)深腐蝕48h圖8 酸浸后鍛件高倍組織

5 結(jié) 論

本文結(jié)合實(shí)例論述了金相檢測(cè)在鍛件生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，可以看出，金相檢測(cè)在保證鍛件質(zhì)量方面有重要的意義。各鍛造廠家在生產(chǎn)中應(yīng)注重金相檢測(cè)的應(yīng)用，以保證鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量。