钛合金因其比强度高，高温性优异，生物相容性好等优点，广泛应用于航空、航天、医疗等各个领域 [1-3]。随着钛合金的使用量不断增加，钛合金冶金缺陷的预防显得尤为重要。钛合金制备过程中常见的冶金缺陷有偏析、夹杂、孔洞等 [4-6]，该类缺陷一旦产生就会产生严重的质量事故，因此各类缺陷的形成机理和特征、再现实验和控制方法备受关注。偏析缺陷最为典型的就是 β 斑、富钛偏析、富铝偏析。现有研究中 [7-9]，β 斑的形成机理和控制方法的研究已经十分成熟，β 斑主要有两种形成机制，一种是柱状晶中的条状偏析所致，另一种是等轴晶和柱状晶转变区的偏析所致。因此，众多研究者提出了降低熔池深度，形成全柱状晶的方法来减轻或消除 β 斑。富钛偏析 [10] 形成的主要原因：一次熔炼过程中发生海绵钛掉渣所致，此外，使用纯钛起弧料也有导致富钛偏析的风险。关于富 Al 偏析的研究，现有文献中大多只提及其简单特征 [11-12]，并没有针对富 Al 偏析缺陷再现，以及和铸锭缩孔的关系进行研究。
基于上述原因，本工作在铸锭中预制了缩孔，来研究经过锻造和变形后是否可以再现富 Al 偏析，并取相同工艺下相同合金的缩孔进行研究分析，以确认两者的相关性，旨在为控制和消除富 Al 偏析提供依据。
1、实验材料与方法
通过真空自耗电弧炉回收生产 2 支 Φ920mm 规格 TC4 合金铸锭，并且 2 支铸锭的熔炼工艺完全相同。分别标记为 1# 铸锭和 2# 铸锭，其中 1# 铸锭用于加工成棒材，2# 铸锭用于解剖缩孔。1# 铸锭经过开批、多火次锻造，最终获得 8 支 Φ95mm 棒材（分别标记为 1~8），随后使用 MS700 探伤仪对棒材进行探伤，并未发现异常。为进一步确认是否存在缺陷，取对应铸锭补缩位置的棒材（棒材 1）进行连续切片，然后进行冲压变形，通过低倍腐蚀确认后，对表面疑似缺陷的试样进行解剖分析。
针对缺陷实验片首先使用线切割切取金相样品，经磨样、抛光、超声波清理等处理后，利用 Kroll 试剂进行腐蚀，腐蚀时间为 5~10s。使用奥林巴斯 GX71 型号金相显微镜进行组织观察和照片采集，并使用 Image J 软件进行了相含量分析。使用 JSM-IT700HR 扫描电镜进行能谱分析，使用 ZAu-A 维氏显微硬度计进行不同区域的显微硬度测试。
针对缩孔上部、左边、右边和下部 4 个不同的位置，分别取尺寸为 10mm×10mm×10mm 的试样，分别针对其进行能谱分析，采用 MeltFlow 软件进行了铸锭熔炼的模拟，用以分析缩孔的演变和温度场的分布情况，以确认铸锭缩孔与棒材富铝偏析的对应性。
2、实验结果与分析
2.1 缺陷低倍和高倍结果
经确认缺陷位置对应棒材心部区域附近，并靠近棒材头部位置（与铸锭冒口位置对应），图 2 为沿缺陷中心纵剖后的低倍特征，其中，A 位置相对处于 B 位置上方，可以看出缺陷纵剖特征在低倍上呈现出条带状特点，且低倍上偏暗，而正常区域则相比偏亮，这主要是因为缺陷位置和正常区域不同组织经腐蚀后，在光源漫反射下的作用所致，如图 2 中箭头所示。
为进一步确认缺陷位置的特征，对缺陷从上到下的不同位置和正常区域进行了采集，具体金相结果如图 3 所示。从图 3 (a) 中可以看出，对应头部位置的缺陷区域高倍下呈现为亮条带，存在明显 α 相聚集特征，α 相含量高达 97% 以上。随着从头部位置向下逐步采集金相，发现缺陷区域的亮条带范围逐步变窄，且缺陷区域的 α 相含量逐步减少，如图 3 (b)~(e) 所示。图 3 (f) 为正常区域的金相照片，可以看出与缺陷区域明显不同，正常区域表现出等轴 α 相均匀分布特征。进一步观察可以发现，虽然缺陷区域 α 相含量相比正常区域明显增加，但是缺陷区域并没有出现裂纹或孔洞情况，这也解释了为什么接触法探伤没有发现异常的原因。接触法探伤针对孔洞、裂纹、夹杂等缺陷灵敏度很高，但是针对组织差异灵敏度不高，因为其主要是利用超声波的反射进行信号确认。从金相特征可以基本确认该缺陷为 α 稳定元素的偏析所致。
为了进一步研究不同缺陷区域的高倍组织差异程度，选取了图 3 (a)~(e) 缺陷区域和正常区域的图 3 (f) 中典型组织的 400μm×300μm 区域，如图 3 方框所示，在 200× 下采集照片，利用 Image J 软件，进行了 α 相含量的定量统计分析，α 相含量分析结果如图 4 所示。其中正常区域图 3 (f) 中 α 相含量为 47.23%，而缺陷区域随着过渡区域至最严重的缺陷核心区域 α 相含量逐步升高，在图 3 (a) 缺陷区域 α 相含量高达 88.26%。
2.2 缺陷能谱分析结果
图 5 为缺陷分析时能谱测试的位置说明图。由于 TC4 合金为两相合金，能谱采用点扫时会有很大的误差，因为 α 相和 β 相上本身就有明显的元素差异，因此，能谱分析采用面扫来确认缺陷区域和正常区域的成分差异。针对缺陷测试区域分别标记为 1~7 位置，正常区域标记为 8~10。需要特别说明的是 1~3 位置对应缺陷纵剖后的最上部位置，4~5 位置对应缺陷的中部位置，6~7 位置对应缺陷最下部位置。
表 1 缺陷区域和正常区域不同位置的能谱结果 (质量分数 /%)
| Area | Al | V | Ti |
| 1 | 10.30 | 4.45 | 85.25 |
| 2 | 10.20 | 4.34 | 85.46 |
| 3 | 9.97 | 4.27 | 85.76 |
| 4 | 9.55 | 4.34 | 86.11 |
| 5 | 9.03 | 4.73 | 86.24 |
| 6 | 9.07 | 4.02 | 86.91 |
| 7 | 8.97 | 4.13 | 86.90 |
| 8 | 5.86 | 5.05 | 89.09 |
| 9 | 5.64 | 5.31 | 89.05 |
| 10 | 5.76 | 4.66 | 89.58 |
可以看出，1~7 缺陷位置 Al 元素含量存在偏高的现象，其中缺陷区域 Al 元素含量最大为 10.30%（质量分数，下同），且 1~7 缺陷区域能谱测试的 Al 元素均值高达 9.58%。而 8~10 正常区域 Al 元素含量最大 5.86%，Al 元素含量的均值仅为 5.75%，明显低于缺陷区域 Al 元素的含量水平。
能谱分析是半定量分析方法，在相同状态下进行能谱测试，从缺陷区域和正常区域的测试结果来看，缺陷区域存在规律性 Al 元素高于正常区域，也能证明实际缺陷区域 Al 元素含量确实比正常区域高。因此，根据能谱结果基本可以断定该缺陷就是富 Al 偏析。此外，缺陷发生区域与铸锭预留缩孔位置基本一致，所以说明铸锭预制缩孔后，经过锻造和变形该缺陷得到了遗传。
2.3 缺陷硬度分析结果
为了进一步确认缺陷的特征，对缺陷区域和正常区域进行了显微硬度测试，其中正常区域随机测试了 3 个位置，缺陷区域选取了 3 个典型位置进行了显微硬度测试，图 6 所示。显微硬度的结果如表 2 所示，可以看出，缺陷区域的平均显微硬度为 401.33HV，明显高于正常区域的平均显微硬度 304.33HV。一方面，Al 元素是典型的 α 相稳定元素 [13-14]，因此 Al 元素富集导致了 α 相的增多。另一方面，通过材料基础知识可知，Al 元素具有固溶强化的作用 [15]。因此，Al 元素富集区域显微硬度才明显高于正常区域。
表 2 缺陷区域和正常区域的显微硬度结果
| Region | Position 1 | Position 2 | Position 3 | Average |
| Defect | 420 | 387 | 397 | 401.33 |
| Normal | 301 | 311 | 301 | 304.33 |
2.4 铸锭缩孔能谱分析结果
针对上述试样片中的缺陷，已经通过实验结果证明了是富 Al 偏析，且对应铸锭预制的缩孔位置。但是铸锭的缩孔处是否有相同的偏析规律仍未可知，因此针对 TC4 合金缩孔进行了能谱分析，以确认是否与试样片偏析规律一致。
为了详细研究缩孔不同位置的元素偏析规律，图 7 为实际铸锭缩孔的纵剖截面图，并将缩孔的区域粗略地化分为上部、下部、左边和右边，以便确认不同的差异。
针对不同位置试样进行了能谱分析，测试位置见图 8，并将能谱结果取平均值，结果汇总如表 3 所示。从表 3 中可以看出，缩孔不同位置的 Al 元素含量明显不同，表现出了一定的规律性。对应缩孔上部的 Al 元素含量最高，平均值为 9.59%，缩孔左侧和右侧水平相当，均值分别是 5.91% 和 6.14%，对应缩孔下部的 Al 元素含量相对最低，均值仅为 5.33%。上述结果说明，铸锭中缩孔 Al 元素的偏析主要集中在上部位置，这也与本工作再现的富 Al 偏析上部最严重相对应。
表 3 缩孔不同位置的能谱结果均值 (质量分数 /%)
| Fig.8 | Al | V | Ti |
| a | 9.59 | 3.53 | 86.88 |
| b | 5.91 | 3.81 | 90.27 |
| c | 6.14 | 3.89 | 89.76 |
| d | 5.33 | 4.01 | 90.66 |
缩孔上部之所以铝元素含量相比其他位置较高，主要有两方面原因，一方面铝元素饱和蒸气压相比其他元素较高，在最后的补缩缩孔中极易挥发；另一方面是补缩过程中缩孔不同位置的温度场不同，导致了上方更容易凝结 Al 元素。图 9 为通过 MeltFlow 软件模拟得到的铸锭温度场分布情况，可以看出缩孔的心部温度最高，且缩孔上部和其他缩孔以外部位均温度较低。随着冷却的进行，缩孔区域不断缩小，最终直至完全凝固。综合上述两方面原因可以得出结论：在补缩过程中，首先 Al 元素在缩孔中挥发形成 Al 蒸气，然后因为缩孔上方温度场较低，当达到露点时则凝结在上方表面，最终不断堆积形成富 Al 层。
综上所述，在铸锭中预制缩孔，经锻造和变形并不能消除缩孔处富 Al 偏析。因此，一旦缩孔处存在富 Al 偏析，若采取方法切除，则最终产品有富 Al 偏析的风险。在实际生产中，钛合金这种富 Al 偏析应彻底杜绝，因为常规的接触探伤极有可能无法发现，一旦遗传至最终产品，极有可能发生灾难性的质量事故。常有的控制方法有：优化补缩工艺，尽可能地减小甚至消除缩孔的产生；提高探伤精度，尽可能地将缩孔定位出来；铸锭机加后彻底切除缩孔，或者制定切除冒口的最低下限进行控制。
3、结论
(1) 对棒材而言，富铝偏析处低倍呈现出暗色条带状，高倍表现为 α 相含量密集特征。缺陷区域存在明显的铝元素富集现象，铝元素含量均值高达 9.58%，明显高于正常区域 5.86%，且缺陷区域的平均显微硬度为 401.33HV，明显高于正常区域的平均显微硬度 304.33HV。
(2) 对铸锭缩孔而言，Al 元素的偏析最严重的位置在上部。这是因为在补缩过程中，Al 元素首先在缩孔中挥发形成 Al 蒸气，然后因为缩孔上方温度场较低，当达到露点时则凝结在上表面，最终不断堆积形成富 Al 层。
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（注，原文标题：TC4钛合金铸锭缩孔与富铝缺陷的相关性研究）
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