鈦合金在金相檢驗中的常見缺陷

劉衛(wèi)東, 張 俊

(中國航發(fā)航空科技股份有限公司, 成都 610500)

鈦合金具有高的比強度和良好的耐腐蝕性能，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已成為航空發(fā)動機中的主要結(jié)構(gòu)材料之一。鈦合金的質(zhì)量輕，故隨著航空發(fā)動機推重比的提高，鈦合金的使用量也在不斷增大[1-3]。對于大多數(shù)近α和(α+β)兩相鈦合金而言，為了獲得較好的塑性，通常采用的都是常規(guī)的兩相區(qū)鍛造，而對于一些需要獲得較高斷裂韌性的零件，通常采用β鍛或準(zhǔn)β鍛的方法[4-5]。但在日常生產(chǎn)過程中，不正確的鍛造工藝往往會使鈦合金及其制品出現(xiàn)缺陷，鈦合金常見的鍛造缺陷有組織過熱及不均、孔洞、裂紋等，這些缺陷將大大降低鈦合金鍛件的力學(xué)性能，進而給產(chǎn)品的使用帶來潛在危險[6-7]，因此，需要加強對鈦合金的生產(chǎn)過程中的檢驗。在鈦合金鍛件的常規(guī)低倍檢驗以及金相檢驗過程中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一些超標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)未明確規(guī)定的目視缺陷，如某TC2環(huán)形自由鍛件按照GJB 2744—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》檢查其腐蝕后的表面低倍形貌，標(biāo)準(zhǔn)中沒有對半清晰晶的允許情況進行說明，需要檢測部門進行缺陷性質(zhì)的判定，以便質(zhì)檢部門對產(chǎn)品作出合格與否的結(jié)論。筆者歸納總結(jié)了鈦合金零部件在日常生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)缺陷的類型，并對不同缺陷進行了相應(yīng)的金相檢驗，以供相關(guān)人員在日常檢驗檢測過程中參考。

1 典型案例分析

1.1 TC1環(huán)形鍛件的粗晶

TC1鈦合金經(jīng)過下料150 mm(直徑)→兩相區(qū)加熱→自由鍛→退火，最終抽檢1件產(chǎn)品，對其進行常規(guī)低倍檢驗，發(fā)現(xiàn)存在粗晶。

按照GB/T 5168—2008《α-β鈦合金高低倍組織檢驗方法》，用20%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硝酸+12%氫氟酸水溶液對鍛件的低倍試樣進行侵蝕，然后觀察試樣的顯微組織形貌，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，試樣有明顯的清晰晶缺陷，原始β晶界上存在連續(xù)且平直的晶界α相，其形成原因是該批原材料β相變點測試值偏高，鍛造加熱爐局部超溫，導(dǎo)致了TC1鈦合金鍛造溫度過高，從而產(chǎn)生了清晰晶。

圖1 TC1環(huán)形鍛件顯微組織形貌

1.2 TC2卡箍和整流葉片的鍛造應(yīng)變線

TC2卡箍和整流葉片經(jīng)機加后進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)在零件表面存在周向和縱向的亮條缺陷顯示，其宏觀形貌如圖2所示。

圖2 TC2卡箍和整流葉片亮條缺陷的宏觀形貌

從TC2卡箍和整流葉片分別取樣，并對其進行金相檢驗，結(jié)果如圖3,4所示。由圖3可知，TC2卡箍亮條缺陷處的顯微組織存在明顯的方向性，放大后觀察，可見其組織較細(xì)密。由圖4可知，TC2整流葉片亮條缺陷處的顯微組織同樣存在明顯的方向性，α和β相均呈拉長形貌，整流葉片周圍正常區(qū)域的顯微組織為等軸組織。

圖3 卡箍亮條缺陷顯微組織形貌

圖4 整流葉片亮條缺陷處及周圍正常區(qū)域的顯微組織形貌

分別對TC2卡箍和整流葉片進行顯微硬度測試和能譜分析，結(jié)果如表1所示，可見TC2卡箍和整流葉片亮條缺陷處與周圍正常區(qū)域的顯微硬度測試結(jié)果和能譜分析結(jié)果沒有明顯差異，因此可以判定TC2卡箍和整流葉片的亮條缺陷均為鍛造過程中產(chǎn)生的應(yīng)變線。

表1 TC2卡箍和整流葉片的顯微硬度測試及能譜分析結(jié)果

1.3 TC2導(dǎo)向葉片表面的富鈦偏析

TC2低壓進氣導(dǎo)向葉片經(jīng)機加工后進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)在零件表面存在縱向的亮條缺陷，其宏觀形貌如圖5所示，可見缺陷處組織較粗大，無機械變形特征，缺陷區(qū)域的長度約為35 mm，寬度約為5 mm。

圖5 TC2低壓進氣導(dǎo)向葉片亮條缺陷的宏觀形貌

從TC2低壓進氣導(dǎo)向葉片截取試樣，沿葉片橫截面制樣，然后對其進行金相檢驗，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，缺陷處的組織與正常區(qū)域的組織存在明顯差異，缺陷處的組織深度為0.3 mm，為粗大的α晶粒組成的貧β相區(qū)。

圖6 TC2低壓進氣導(dǎo)向葉片亮條缺陷處及周圍正常區(qū)域的顯微組織形貌

分別對TC2低壓進氣導(dǎo)向葉片亮條缺陷處和周圍正常區(qū)域進行顯微硬度測試，結(jié)果顯示缺陷處顯微硬度為245 HV，正常區(qū)域顯微硬度為274 HV，缺陷處顯微硬度略低于周圍正常區(qū)域。

采用電子探針對TC2低壓進氣導(dǎo)向葉片亮條缺陷處和周圍正常區(qū)域進行成分分析，發(fā)現(xiàn)缺陷處鈦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.50%，鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.67%，而周圍正常區(qū)域的鈦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.66%，鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.83%，判斷亮條缺陷屬于富鈦偏析。這種缺陷的形成與原材料的冶煉過程有關(guān)，在合金熔煉時，合金元素擴散不充分，局部形成富集或貧化，導(dǎo)致元素偏析。改進原材料的冶煉工藝可以避免產(chǎn)生這種偏析缺陷。

1.4 TC6鍛造葉片的β斑

TC6鍛造葉片經(jīng)機械加工后進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)零件表面存在暗條缺陷，其宏觀及顯微組織形貌如圖7所示，可見暗條缺陷處初生α相含量明顯低于周圍正常區(qū)域。

圖7 TC6鍛造葉片暗條缺陷的宏觀及顯微組織形貌

對TC6鍛造葉片進行顯微硬度測試，發(fā)現(xiàn)暗條缺陷處顯微硬度為289 HV，周圍正常區(qū)域顯微硬度為311 HV，暗條缺陷處顯微硬度略低于周圍正常區(qū)域。

采用電子探針對TC6鍛造葉片暗條缺陷處和周圍正常區(qū)域進行成分分析，發(fā)現(xiàn)缺陷處鉬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.12%，周圍正常區(qū)域鉬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.78%，缺陷處鉬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于周圍正常區(qū)域。當(dāng)β相穩(wěn)定元素釩、鉬等發(fā)生偏析后，降低了偏析區(qū)域的相變溫度，合金在加熱時易優(yōu)先發(fā)生α相向β相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生暗條缺陷，即所謂的β斑。這種缺陷的形成同樣與原材料冶煉過程有關(guān)，可以采用改進原材料冶煉工藝的方法來避免產(chǎn)生這種偏析缺陷。

1.5 TC6葉片釬焊和拋光后的燒傷

某批次TC6葉片在阻尼臺上釬焊耐磨硬質(zhì)合金塊后，發(fā)現(xiàn)阻尼臺附近的葉身表面出現(xiàn)了“白斑”形貌(見圖8)。對“白斑”區(qū)域及周圍正常區(qū)域進行金相檢驗，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：在顯微鏡下無論如何調(diào)焦，“白斑”區(qū)域的組織均模糊不清；周圍正常區(qū)域的顯微組織為雙態(tài)組織。

圖8 TC6葉片釬焊后產(chǎn)生“白斑”的宏觀形貌

圖9 TC6葉片釬焊后“白斑”區(qū)域及周圍正常區(qū)域的顯微組織形貌

對釬焊后的TC6葉片進行顯微硬度測試，發(fā)現(xiàn)“白斑”區(qū)域的顯微硬度為363 HV，周圍正常區(qū)域的顯微硬度為318 HV，“白斑”區(qū)域的顯微硬度明顯高于周圍正常區(qū)域，表明“白斑”缺陷是因焊接燒傷而形成的。

某批次TC6葉片在拋光后發(fā)現(xiàn)“白斑”形貌(見圖10)。對“白斑”區(qū)域和周圍正常區(qū)域進行金相檢驗，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，“白斑”區(qū)域和周圍正常區(qū)域均為等軸組織。

圖10 TC6葉片拋光后產(chǎn)生“白斑”的宏觀形貌

圖11 TC4葉片拋光后“白斑”區(qū)域及周圍正常區(qū)域的顯微組織形貌

對拋光后的TC6葉片進行顯微硬度測試，發(fā)現(xiàn)“白斑”區(qū)域的顯微硬度為313 HV，周圍正常區(qū)域的顯微硬度為347 HV，“白斑”區(qū)域的顯微硬度低于周圍正常區(qū)域。鈦合金導(dǎo)熱性差，故鈦合金葉片在拋光時，如果操作不當(dāng)，很容易造成零件表面產(chǎn)生的熱量不能及時傳導(dǎo)，使零件小范圍內(nèi)溫度升高而形成拋光燒傷，較輕微的僅有表面燒傷，嚴(yán)重時會形成穿透性燒傷。

1.6 TC6葉片表面α層導(dǎo)致加工時發(fā)生斷裂

α層是富集氧、氮、碳元素的穩(wěn)定表面層，是一種硬脆相，一般認(rèn)為其是有害相。

某批次TC6鈦合金葉片在銑榫頭裝夾過程中，多件葉片發(fā)生斷裂，葉片斷裂處剛好位于夾具和葉片的接觸點。葉片斷口的宏觀及微觀形貌如圖12所示，可見葉片斷裂起源于葉背的裝夾接觸點，斷口源區(qū)未見冶金缺陷，呈沿晶脆斷特征。

圖12 TC6葉片斷口的宏觀及微觀形貌

從葉片斷口截面處取樣進行金相檢驗，可見葉背表面有多處微裂紋，裂紋內(nèi)部未見氧化特征[見圖13a)]，葉背近表面可見α層，微裂紋均在α層之內(nèi)[見圖13b)]。葉片在裝夾過程中夾具與葉片的接觸點容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，又因α層具有硬而脆的特性，故在應(yīng)力作用下容易萌生微裂紋，最終導(dǎo)致葉片斷裂。

圖13 TC6葉片斷口的顯微組織形貌

2 綜合分析

2.1 常見缺陷的分類與特點

鈦合金常見缺陷主要有3大類，包括冶金缺陷、工藝缺陷和表面缺陷。

冶金缺陷一般包括金屬夾雜、非金屬夾雜、化學(xué)成分偏析和孔洞等[8]，這類缺陷在發(fā)生位置上一般是局部的，且形態(tài)不一，可能是塊狀、點狀、線狀或條狀；工藝缺陷產(chǎn)生的范圍則相對較廣，在鍛造、鑄造、焊接、熱處理、電加工、機械加工中都有可能產(chǎn)生，其形態(tài)也各不相同，需要在日常檢驗過程中多加鑒別[9]；表面缺陷主要是因鈦合金化學(xué)活性較高，容易與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的，其中危害最大的是氧、氮、氫等氣體的污染，這類氣體污染都會導(dǎo)致鈦合金的硬度增加，在實際生產(chǎn)過程中也經(jīng)常出現(xiàn)表面缺陷，比如刮碰、操作失誤等造成的鈦合金零件表面凹陷、裂紋、尺寸超差等[10]，這類表面缺陷基本都伴隨著宏觀塑性變形，且缺陷表面都能看到明顯的金屬光澤。

2.2 常見鍛造缺陷及其鑒別

鈦合金的鍛造缺陷主要有折疊、裂紋、變形不均勻等[6-7]。一般情況下，鍛造形成的折疊或裂紋內(nèi)部有氧化物夾雜，特點是裂紋兩側(cè)呈現(xiàn)白亮帶，組織為富氧的α層，β層則相對較少。變形不均勻的產(chǎn)生原因為：鈦合金存在著嚴(yán)重的黏?，F(xiàn)象，尤其是當(dāng)模具表面粗糙度大或潤滑不良時，都會阻礙金屬流動，造成鍛件表面與內(nèi)部變形的不均勻；鈦合金導(dǎo)熱性差，鍛件內(nèi)部溫度不均勻，高溫區(qū)易變形，低溫區(qū)難變形，導(dǎo)致了變形的不均勻。變形不均勻會導(dǎo)致鍛件的晶粒度不同，變形量大的部位晶粒細(xì)小，反之晶粒較大，變形不均勻還會導(dǎo)致鍛件的初生α相含量有所差別，高溫區(qū)初生α相較低溫區(qū)要少一些。

對于圓餅形模鍛件，當(dāng)其變形量較大時，鍛件的軸徑向剖面經(jīng)低倍腐蝕后可見X型應(yīng)變線，可將其分為劇烈變形區(qū)、一般變形區(qū)和變形死區(qū)，對應(yīng)的顯微組織和性能亦有差別；而對于較薄的模鍛件，如葉片類零件，這種應(yīng)變線會暴露在表面，腐蝕后可見沿縱向的亮條或暗條，這是經(jīng)劇烈變形細(xì)化后組織的特征。一般來說，這種輕微應(yīng)變線所形成的亮條或暗條對零件的使用性能影響不大，不作為組織缺陷處理，但在對其進行判斷時，要注意與成分和組織偏析所形成的亮條缺陷區(qū)分開來，避免誤判。

3 結(jié)語與建議

從上述案例分析結(jié)果可知，在實際制造過程中，鈦合金在金相檢驗中的常見缺陷主要有清晰晶、應(yīng)變線、偏析(富鈦、β斑)、α層以及焊接、磨削和拋光等產(chǎn)生的過熱過燒等，這些缺陷有因熱加工過程操作不當(dāng)而導(dǎo)致的，也有原材料遺留下來的，還有加工制造過程中因參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生的。

原材料缺陷可以由加強冶煉工藝控制來從源頭上避免，而制造過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷則需要考慮工藝是否安排恰當(dāng)，或者工藝參數(shù)是否合理，從這些方面的改進來避免缺陷的發(fā)生。