TC4鈦合金因其密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好，綜合性能優(yōu)異，因此被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、艦船、化工等領(lǐng)域。雖然TC4鈦合金的加工技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但在工業(yè)化生產(chǎn)中，經(jīng)常由于制備工藝不當(dāng)而造成開裂、夾雜、偏析、氣孔等缺陷。本文所述鍛件的特點(diǎn)是直徑大、厚度薄。本文針對(duì)某批次存在缺陷的TC4盤型鍛件進(jìn)行檢驗(yàn)分析，通過(guò)超聲波探傷、金相及能譜分析等方法找出缺陷性質(zhì)及其產(chǎn)生原因。避免再次出現(xiàn)類似問(wèn)題，為TC4鈦合金鍛件的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。
1、試驗(yàn)方法
本文所用材料經(jīng)真空自耗電弧熔煉TC4合金鑄錠，下料后鍛造成厚度較薄的大直徑圓餅形鍛件(φ700mmx28 mm)。對(duì)TC4鑄錠的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果符合GB／T3620.1-2007標(biāo)準(zhǔn)的要求。
采用超聲檢測(cè)的方法來(lái)確定鍛件的內(nèi)部質(zhì)量。
為了保證缺陷的檢出率，在信噪比滿足檢測(cè)要求的條件下盡量選擇較大靈敏度．最終選擇φ0.8mm平底孔作為參考反射體。在設(shè)置靈敏度的基礎(chǔ)上，對(duì)鍛件進(jìn)行100％掃查，發(fā)現(xiàn)兩處超標(biāo)缺陷，兩缺陷均在靠近鍛件圓盤邊緣部位，缺陷反射波見(jiàn)圖1。應(yīng)用超聲波的精確定位功能，以缺陷反射波幅為參考。確定缺陷深度及異常區(qū)域范圍。并作為解剖區(qū)域解剖取樣。共取得2件試樣。為此，本文用金相觀察和能譜掃描的方法對(duì)該鍛件做進(jìn)一步檢驗(yàn)分析，以便找出缺陷性質(zhì)和產(chǎn)生原因。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 金相低倍檢驗(yàn)
對(duì)出現(xiàn)信號(hào)缺陷的部位進(jìn)行橫向切取試樣,經(jīng)拋光后，在一定比例配制的腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，觀察低倍組織，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖中可觀察出：1#試樣近中部有明顯亮帶，在亮帶上有縮孔，并夾雜細(xì)小裂縫。24試樣缺陷處與基體部分存在組織異常現(xiàn)象且存在細(xì)小裂縫。
2.2 金相高倍檢驗(yàn)。
觀察1#、2#試樣高倍組織，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中可以看到，1#、2#試樣基體均為初生等軸α+小等軸及片狀α的轉(zhuǎn)變?chǔ)拢?#試樣存在著一個(gè)4.8mm×3.3mm的與基體組織不連續(xù)的縮孔缺陷，其周圍上下部分僅α初含量少于基體，在上部存在著較為明顯的粗大α相。左右兩側(cè)則存在條狀扭曲的粗大α初+β轉(zhuǎn)，且α初含量高于基體。2#試樣存在著一個(gè)1.3
mm×8mm的組織異常缺陷，表現(xiàn)為有條狀扭曲的粗大α初+β轉(zhuǎn)，且α初含量高于基體。
2.3 缺陷區(qū)及基體布氏硬度測(cè)試分析
對(duì)缺陷區(qū)及基體進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)分布規(guī)律為：前2測(cè)試點(diǎn)在缺陷區(qū)中心位置選取，其余4點(diǎn)在缺陷區(qū)邊緣均勻分布選取。基體測(cè)試點(diǎn)為隨機(jī)抽取6個(gè)位置點(diǎn)。測(cè)得的硬度數(shù)據(jù)如表l所示。該鍛件技術(shù)指標(biāo)要求硬度值為293～361HB，從表中可以看到基體區(qū)硬度在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，而缺陷區(qū)硬度值普遍高于基體區(qū)，中心區(qū)硬度最高，且隨著距缺陷
中心距離的增大而降低。
2.4 掃描電鏡形貌及能譜分析
對(duì)1#、2#試樣進(jìn)行電鏡掃描及能譜分析，結(jié)果如圖4、5所示。試樣不同區(qū)域的元素含量見(jiàn)表2。對(duì)1#試樣來(lái)說(shuō)，表面裂縫處的能譜分析顯示Ti的含量為98.4％，比正常基體部分含量偏高約8％。表明缺陷處為合金化不足引起的富鈦化偏析。1#試樣表面異常處的能譜分析顯示，氧元素含量很高，為11.71％；鈦含量偏低，為75.36％；鋁和釩元素的含量也偏低，并伴隨其他雜質(zhì)元素的析出。說(shuō)明該處是一個(gè)復(fù)雜的鈦氧化物形態(tài)。對(duì)2#試樣來(lái)說(shuō)，其表面正常區(qū)域和表面異常區(qū)域的元素構(gòu)成基本一致．而裂縫處的氧元素含量偏高，為13.48％，鈦及鋁含量均偏低。這說(shuō)明該處是一個(gè)富氧間隙元素偏析。
3、結(jié)果分析
一般來(lái)說(shuō)，非金屬夾雜(含富氧、富碳、富氮夾雜)表現(xiàn)為光亮的條帶和區(qū)域。這些帶和區(qū)域有時(shí)伴隨有疏松、裂紋、空穴等，屬于冶金缺陷范疇。1#試樣缺陷的形貌是呈現(xiàn)亮斑且局部有針狀裂縫的縮孔．顯微組織表現(xiàn)為與周圍基體組織粗大不連續(xù)的顯微硬度高的α相聚集。能譜分析顯示，缺陷異常區(qū)氧元素及碳元素含量偏高，導(dǎo)致其中心區(qū)顯微硬
度顯著提高，而隨著與中心距離的增加，金屬中氧元素含量減少，逐漸轉(zhuǎn)變成合金的典型組織，這一點(diǎn)可以從顯微硬度隨距離的增加而降低看出。該處氧含量增高而鈦含量降低，特別是鋁含量較低，比基體材料低3/4，且有其他雜質(zhì)元素存在，呈現(xiàn)出復(fù)雜氧化物形態(tài)。縮孔區(qū)域Ti含量顯著高于基體部分。綜合1#試樣缺陷特征可知，該處缺陷為富集氧的非金屬夾雜并伴有針狀裂縫處的富鈦元素偏析。
2#試樣缺陷的形貌是呈類圓形的且局部表面有細(xì)小裂縫的亮斑。金相高倍組織顯示該處有條形扭曲狀的α相聚集且與周圍基體組織有不連續(xù)現(xiàn)象。與1#試樣缺陷處全部為與基體組織不連續(xù)的縮孔不同的是，2#試樣只在表面出現(xiàn)了細(xì)小裂縫。組織不連續(xù)程度較1#試樣小。2#試樣能譜分析顯示，其異常區(qū)域和正常區(qū)域的元素基本一致，氧元素含量偏
高，其缺陷處為富有氧元素偏析。
4、結(jié)論與改進(jìn)措施
(1)1#、2#試樣缺陷為同一類，屬于冶金缺陷。缺陷區(qū)附近存在微區(qū)化學(xué)成分不均勻。氧含量偏高，鋁、釩含量偏低。導(dǎo)致該區(qū)域是復(fù)雜的氧化物混合態(tài)。元素偏析會(huì)導(dǎo)致工件變形過(guò)程中在缺陷部分出現(xiàn)疏松、空穴或裂紋。缺陷主要是微區(qū)化學(xué)成分不均勻，氧含量偏高氧化嚴(yán)重，形成富氧的夾雜，形成粗大的儀相，導(dǎo)致其顯微硬度顯著增大，而塑性下降。因此在變形過(guò)程中由于脆性大導(dǎo)致縮孔和裂紋。
(2)消除以上冶金缺陷的措施應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：一是要研究更加完善的鑄錠檢驗(yàn)方法，以便及早發(fā)現(xiàn)，減少損失，提高生產(chǎn)效率；二是應(yīng)更加仔細(xì)地選擇、清理和控制加入的海綿鈦，及時(shí)清除氧化嚴(yán)重的海綿鈦顆粒。
參考文獻(xiàn)：
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