高溫鈦合金高密度夾雜原因分析及預(yù)防措施

韓 彤 侯林濤 劉 娣 白 鈺 張利軍

（1 西安超晶科技股份有限公司，西安 710299）

（2 陜西省先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料精確熱成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710299）

0 引言

隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)材料在苛刻環(huán)境中的使用提出更高要求［1-2］。航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由于需要在高應(yīng)力、超高溫、超低溫、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作，對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)減重以及材料本身綜合性能提出高要求［3］；航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的零部件處于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的極端環(huán)境中，因而要求材料具有耐高溫、質(zhì)量輕及抗蠕變能力強(qiáng)等特點(diǎn)［4］。高溫鈦合金以耐高溫、低密度、高比強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)成為航空航天領(lǐng)域的熱門(mén)材料，毫無(wú)疑問(wèn)研究高溫鈦合金對(duì)我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展十分重要［5-8］。

我國(guó)高溫鈦合金從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始進(jìn)行自主研制，先后在中科院金屬所、寶鈦集團(tuán)、北京航空材料研究院以及西北有色金屬研究院的自主研制下，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一系列高溫鈦合金，目前常見(jiàn)的幾種高溫鈦合金有Ti55、Ti55A、Ti60、Ti600、Ti65［9-10］。通過(guò)對(duì)高溫鈦合金成分研究發(fā)現(xiàn)，其成分組元較多，且含有多個(gè)難熔金屬元素，如Nb、Mo、Ta、W［11］。而現(xiàn)在生產(chǎn)鈦及鈦合金鑄錠的基本方法仍然是真空自耗電弧熔煉，在鑄錠熔煉過(guò)程中陰極端溫度約1 775 ℃，弧柱區(qū)溫度為4 700 ℃，熔池溫度約為1 850 ℃，對(duì)于熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鈦的難熔金屬元素，如果尺寸過(guò)大就會(huì)存在不能完全熔化，進(jìn)入凝固鑄錠的風(fēng)險(xiǎn)［12］。目前，學(xué)者對(duì)于高溫鈦合金的研究大都致力于高溫鈦合金組織與性能的規(guī)律研究［13-15］，很少有文獻(xiàn)就高溫鈦合金生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行研究，而高溫鈦合金若進(jìn)入工程化應(yīng)用，相關(guān)的基礎(chǔ)研究是十分必要的。

高密度夾雜缺陷一般是熔煉前或者熔煉過(guò)程中引入的，無(wú)法通過(guò)后續(xù)的鍛造以及熱處理等手段進(jìn)行消除，且在產(chǎn)品中分布的位置是不固定的，由于高密度夾雜一般與基體之間存在較大差異，變形加工時(shí)，夾雜與基體之間會(huì)產(chǎn)生微裂紋，對(duì)鈦合金產(chǎn)品質(zhì)量與性能的影響是十分嚴(yán)重的［16-17］。

本文對(duì)生產(chǎn)中遇到的高溫鈦合金高密度夾雜的形成原因進(jìn)行研究并制定相應(yīng)的預(yù)防措施，擬為后續(xù)高溫鈦合金的實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒與經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

材料為某高溫鈦合金鍛件。鍛件試塊進(jìn)行低倍檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)端面有肉眼可見(jiàn)的小黑點(diǎn)［圖1（a）白色箭頭］，再次機(jī)加后部分黑點(diǎn)并未消失且重新出現(xiàn)新的黑點(diǎn)［圖1（b）白色箭頭］，疑為夾雜。此次實(shí)驗(yàn)材料生產(chǎn)流程為：海綿鈦基體與中間合金混料，難熔元素（Ta、W、C）以粉末形式布料，壓制成電極塊，經(jīng)過(guò)焊接，三次真空自耗電弧熔煉成鑄錠后，經(jīng)多火鍛造成鍛件。

1.2 X射線(xiàn)分析

對(duì)鍛件進(jìn)行X 射線(xiàn)透照后發(fā)現(xiàn)X 射線(xiàn)底片上鍛件內(nèi)部存在多個(gè)白色亮點(diǎn)（圖2），這些白色亮點(diǎn)更多集中在鍛件心部，且白色亮點(diǎn)大小不一，初步判定為高密度夾雜。

圖2 鍛件X射線(xiàn)透照影像Fig.2 X-ray photo of forge piece

1.3 顯微組織分析

從試塊低倍異常位置線(xiàn)切割取樣，對(duì)所取試樣進(jìn)行顯微組織觀察（圖3）。由圖3（a）中可以看出高溫鈦合金熱處理后正常組織為轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w和等軸α相組成的α+β兩相區(qū)加工的均勻組織，其中初生α相比例約15%，基本無(wú)連續(xù)、平直的晶界α。過(guò)渡區(qū)域組織為粗大的魏氏組織，β相含量高，晶界和晶內(nèi)析出針狀α，與正常組織差異大，這說(shuō)明過(guò)渡區(qū)域含有較高的β穩(wěn)定元素，如圖3（b）所示。圖3（c）夾雜位置存在的不熔塊尺寸約為400 μm，與基體有明顯區(qū)別且存在明顯界限。

圖3 高溫鈦合金顯微組織Fig.3 Microstructure of high tempreture titanium alloy

1.4 能譜分析

對(duì)所取試樣進(jìn)行掃描能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖4及表1。其中編號(hào)1-3劃線(xiàn)區(qū)域?yàn)閵A雜位置，編號(hào)4為過(guò)渡區(qū)域，編號(hào)5為正常區(qū)域。從表1中可以看出試樣正常區(qū)域元素與實(shí)際配入的合金元素（Al、Mo、Zr、Sn、Nb、W、Ta、C、Si）類(lèi)型基本一致，個(gè)別未檢測(cè)到的元素Ta、W、Nb可能是因?yàn)閽呙桦婄R能譜分析只能半定量，含量較少的元素不容易檢測(cè)。過(guò)渡區(qū)域以及夾雜位置的Ta元素含量較高，尤其是夾雜位置Ta元素含量最高達(dá)87.15%。由此判定，高溫鈦合金缺陷為以Ta為主的高密度夾雜。

表1 圖4劃線(xiàn)區(qū)域能譜分析Tab.1 EDS determination of scribed area in Fig.4%（w）

圖4 高溫鈦合金掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM photo of high tempreture titanium alloy

2 原因分析及預(yù)防措施

2.1 原因分析

通過(guò)上述分析手段，最終確定高溫鈦合金缺陷區(qū)域?yàn)橐訲a為主的高密度夾雜。由于高密度夾雜一般只會(huì)從熔煉或熔煉前引入鑄錠，因此排除機(jī)加、鍛造和熱處理過(guò)程帶入的可能。

回顧高溫鈦合金鑄錠生產(chǎn)過(guò)程：海綿鈦基體與中間合金混料后，向模具中倒入一半混合料耙平，再將稱(chēng)好的Ta粉、W 粉以及C 粉均勻撒在混合料上，最后倒入剩余混合料后進(jìn)行電極塊壓制，壓制完成后焊成電極，經(jīng)三次熔煉成鑄錠，根據(jù)缺陷類(lèi)型、形狀以及尺寸可以斷定與布料方式有關(guān)。

原材料中使用的Ta粉、W粉以及C粉粒度僅為48、2.93和10 μm，而此次發(fā)現(xiàn)的高密度夾雜的尺寸明顯已經(jīng)超過(guò)原材料粒度，并且EDS結(jié)果（表1）顯示夾雜除Ta元素外還存在其他元素（W、Al等），因此排除原材料粒度過(guò)大導(dǎo)致高密度夾雜的可能。從另一鍛件低倍照片（圖5）可以看出，高密度夾雜面積更大（約25 mm×5 mm）且形狀不規(guī)則，進(jìn)而推測(cè)夾雜形成的主要原因是Ta粉、W粉以及C粉需要人工撒在混合料上，無(wú)法保證撒料的均勻性，壓制電極塊時(shí)粉末由于布料不均勻發(fā)生團(tuán)聚，使粉末“粒徑”增大，化料時(shí)直流電弧來(lái)不及將“大粒徑”的粉末全部熔化，團(tuán)聚的粉末就掉入熔池，隨后進(jìn)入凝固的鑄錠中成為高密度夾雜。

圖5 純金屬粉末團(tuán)聚形成的高密度夾雜Fig.5 HDI of aggregation of pure metal powders

2.2 預(yù)防措施

對(duì)于高溫鈦合金，由于本身包含多種高熔點(diǎn)元素，因此可以通過(guò)選擇合適的中間合金或金屬粉末采用混料兩種方式進(jìn)行高密度夾雜的預(yù)防與消除。

2.2.1 中間合金控制

已知中間合金可以有效降低合金熔點(diǎn)，對(duì)于含有大量難熔金屬組元的高溫鈦合金，添加中間合金是必不可少的。它是改善合金化條件、提高合金成分均勻度、克服偏析、夾雜和減少金屬燒損的有效方法［18］。工業(yè)上常用的中間合金有二元和三元合金，如含Mo 元素的鋁鉬合金，含Nb 元素的鋁鈮合金，為了改善中間合金物理性質(zhì)，中間合金已向多元化發(fā)展［18］，如含Mo與W 元素的鋁鉬鎢鈦合金，含Mo、Nb、Ta元素的鉬鈮鋁鉭合金。為了防止出現(xiàn)高熔點(diǎn)元素未化開(kāi)產(chǎn)生的高密度夾雜，可以采用生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟的中間合金配入高熔點(diǎn)元素。

2.2.2 混料方式控制

實(shí)際考慮到生產(chǎn)技術(shù)、成本以及規(guī)模，對(duì)于W、Ta、C 這些元素，企業(yè)往往偏向于使用粒徑小的純金屬粉末。由于真空自耗電弧熔煉是邊熔化邊凝固的過(guò)程，為了保證鑄錠成分均勻，需要以小粒度純金屬粉末進(jìn)行配料的高熔點(diǎn)元素，尤其是配比值較高的元素，應(yīng)使用自動(dòng)混料機(jī)進(jìn)行混料，再采用合適的混布料方式壓制成電極塊，防止壓料時(shí)純金屬粉末團(tuán)聚在一起，化料時(shí)難以充分熔化。

后期在生產(chǎn)含有難熔金屬元素鈦合金時(shí)，采用了混料方式進(jìn)行難熔金屬元素的添加，鍛造過(guò)程中，對(duì)鍛件進(jìn)行X射線(xiàn)檢查（圖6），未發(fā)現(xiàn)高密度夾雜。因此，在嚴(yán)格控制金屬粉末粒度的前提下，采用混料方式進(jìn)行高熔點(diǎn)元素添加是消除高密度夾雜的有效措施。

3 結(jié)論

（1）此次高溫合金鍛件中發(fā)現(xiàn)的缺陷為以Ta 元素為主的高密度夾雜。

（2）高密度夾雜形成的原因是：布料不均勻的難熔金屬粉末在電極塊壓制過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚，使粉末體積增大，化料時(shí)直流電弧來(lái)不及將大體積的粉末全部熔化，未熔化的粉末就掉入熔池，隨后進(jìn)入凝固的鑄錠中成為高密度夾雜。

（3）高溫鈦合金中由于包含多種高熔點(diǎn)元素，應(yīng)盡量選擇以合金的形式添加這些元素，若需使用高熔點(diǎn)元素粉末時(shí)，在嚴(yán)格控制金屬粉末粒徑的前提下，混料方式可以有效消除產(chǎn)生高密度夾雜的風(fēng)險(xiǎn)。