TC4钛合金是目前世界上使用量最大、用途最广的两相钛合金,由密排六方结构的 α 相和体心立方结构的 β 相构成[1]
,具有比强度高、耐蚀性好、抗疲劳和抗裂纹扩展能力强等优异性能[2 - 3]
,在航空航天、船舶制造、石油化工、生物医疗等多个领域得到广泛应用。 航空发动机叶片和涡轮盘,以及飞机结构中的梁、接头和隔框等重要承力构件大多采用TC4 钛合金材料[4 - 5]
。 TC4 钛合金用于承力、传动结构等关键零件时,一般需进行锻造变形才能满足使用要求[6]
。 为确保锻件内部无夹杂、偏析和气孔等缺陷[7]
,需要对锻件进行超声波探伤判定内部质量。实际工业生产中,由于生产工艺不当,可能导致钛合金锻件出现偏析、夹杂和开裂等缺陷,影响锻件的合格率,降低生产效率,并且还可能会给后续的使用埋下安全隐患。 本试验针对某批有探伤缺陷的 TC4 钛合金锻件进行检验,确定缺陷的性质和产生原因,并提出生产加工过程中的改进措施,为钛材生产企业调整生产工艺、优化生产过程提供参考。
1、试验材料及方法
试验材料为TC4钛合金锻件,成品规格为Φ573×70mm,制备工艺流程:电极压制→电极焊接→真空自耗炉熔炼的TC4钛合金三次熔炼制备铸锭(直径为Φ610mm)→锻造(Φ573x70mm锻件)。对锻件圆周方向上下距端面10mm处取表面丝、带样，使用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP,InductivelyCou-pled Plasma)、氧氮分析仪(ONH,Oxygen-Nitrogen Analyzer)进行成分检测,并与国标TC4钛合金对比成分差异。
使用手持式超声波探伤仪对锻件两端面进行全面探伤，发现锻件有5个部位存在缺陷，如图1所示。为了确定缺陷的确切位置，将超声波探头从Φ25mm更换为直径更小的Φ12mm探头,并通过设置灵敏度，确定了缺陷的位置和深度，然后通过线切割对缺陷部位进行切割制样,加工成尺寸约15mm x15mmx4mm的薄片,通过对薄片进行磨制,查看低倍组织，找出缺陷点，确定存在缺陷的金相试样，进行金相、能谱、硬度检测和分析,确定缺陷的性质及其产生原因。
试验所用的主要设备及部分参数如表1所示。
由于缺陷点较多,缺陷很小,线切割过程中容易将缺陷切除。本次研究切出来两个典型缺陷试样，重点对缺陷明显的试样进行了详细检测及分析。
表1 主要检测仪器及部分参数
Table 1 Main testing instruments and some parameters
| 仪器 | 型号 | 参数 |
| ICP | ICP PRO | 166-847 nm,≤7 pm分辨率 |
| ONH | LECO ONH836 | 氧/氮/氢精度:±0.0001% |
| 超声波探伤仪 | SUT-518C 1 | 1 MHz-10 MHz,精度±0.1mm |
| 扫描电镜 |
|
|
| 硬度测试仪 | HVS-1000 GB | /T231.1,ISO 6506-1,ASTM E10 |
2、试验结果和分析
2.1成分检测
在锻件上下两端面附近取样，通过ICP和ONH检测试样各项元素，结果见表2。结果显示各项成分均符合国标TC4钛合金成分。
表2 锻件成分检测结果(质量分数/%)
Table 2 Forging component test results(mass fraction/%)
| 元素 | Al | V | Fe | O | C | N | Ti |
| 国标 | 5.5-6.8 | 3.5-4.5 | ≤0.3 | ≤0.2 | ≤0.1 | ≤0.05 | 余量 |
| 检测值(上) | 6.42 | 4.13 | 0.042 | 0.161 | 0.02 | 0.004 |
|
| 检测值(下) | 6.42 | 4.23 | 0.04 | 0.163 | 0.018 | 0.004 |
|
2.2低倍组织
对超声波探测缺陷明显部位进行切割镶嵌制样(图2a),使用磨抛机磨抛,肉眼观察到试样表面存在直径约0.1~1mm的异常黑点(见图2b)。
2.3高倍组织
对存在明显黑点的试样进行抛光,在显微镜下观察黑点区域，结果见图3。从图3可见，黑点缺陷周围存在细小裂纹。
使用体积分数 5% HF+10% HNO3 + 85%H2O比例的腐蚀液对该试样进行腐蚀后,在显微镜下观察,结果见图4。可以看出,缺陷周围的基体组织为TC4钛合金等轴 α和 β组织,而缺陷点组织与基体明显不同,两者之间存在分界面。
2.4扫描电镜及能谱分析
对上述试样缺陷区域进行电镜扫描,缺陷整体情况如图5a所示,表面粗糙,不同于正常TC4钛合金基体组织,属于异常组织。缺陷区域放大后如图5b所示,缺陷处裂纹清晰可见,分析为锻造后产生的裂纹。
进一步对该试样的A和B两个区域进行了能谱点扫描,扫描点数分别为7个和8个,如图6所示。能谱扫描后各点成分见表3、表4。
由表可知,缺陷部位的Al、O、C、N元素异常偏高,其中区域A中4号点位置的O元素质量分数最大达到了22.5%,同时Al元素最大质量分数也达到24.88%,而Ti元素仅为49.67%。5号点的C元素质量分数最大为3.03%;另外区域B中的6号点N元素的质量分数最大为 1.39%。 A、B两个区域的 V元素均偏低,个别点未检测到V元素,这表明缺陷区是一个复杂的氧化物,并且以上元素均超出了TC4钛合金的国标成分范围。
表3 区域A能谱点扫描结果(质量分数/%)
Table 3 Energy-spectrum-point scan results of region A( mass fraction/%)
| 位置 | C | N | 0 | Al | Ti | V | Fe |
| 1 | 1.09 | 0.00 | 0.76 | 6.63 | 90.18 | 1.25 | 0.10 |
| 2 | 1.16 | / | 0.41 | 5.98 | 89.31 | 3.14 | 0.19 |
| 3 | 1.23 | 0.00 | 0.72 | 6.17 | 90.11 | 1.77 | 0.00 |
| 4 | 2.94 | 0.00 | 22.50 | 24.88 | 49.67 | / | 0.00 |
| 5 | 3.03 | 0.81 | 11.39 | 12.05 | 70.17 | 2.43 | 0.12 |
| 6 | 1.36 | 0.00 | 1.11 | 6.98 | 90.54 | / | 0.01 |
| 7 | 1.45 | 0.00 | 1.52 | 6.39 | 90.55 | / | 0.09 |
同时对试样黑点区域进行了能谱面扫描和线扫描,结果见图7和图8。
通过比对缺陷扫描区域与元素分布情况,显示除0元素明显集中富集在缺陷处外,C元素也存在
表4 区域B能谱点扫描结果(质量分数/%)
Table 4 Energy-spectrum-point scan results of region B( mass fraction/%)
| 位置 | C | N | O | Al | Ti | V | Fe |
| 1 | 1.48 | 0.65 | 3.48 | 6.36 | 85.19 | 2.83 | 0.00 |
| 2 | 1.44 | 0.00 | 8.10 | 8.27 | 79.23 | 2.96 | 0.01 |
| 3 | 2.43 | 0.00 | 14.63 | 13.21 | 67.61 | 2.05 | 0.08 |
| 4 | 1.51 | 0.00 | 1.93 | 5.91 | 87.76 | 2.89 | 0.00 |
| 5 | 1.34 | 0.63 | 0.35 | 5.80 | 89.48 | 2.33 | 0.07 |
| 6 | 1.17 | 1.39 | 0.90 | 6.17 | 87.18 | 3.05 | 0.14 |
| 7 | 1.38 | 0.29 | 0.68 | 5.47 | 88.00 | 4.11 | 0.07 |
| 8 | 2.42 | / |
| 5.71 | 88.71 | 3.16 | / |
一定的富集,其余元素A1、V、N、Fe富集不明显,这说明缺陷处的0元素含量整体偏高(如图7b),覆盖黑点缺陷区域;从线扫描情况来看,扫描范围包括缺陷区与基体区,中间部位为缺陷区,曲线显示 0元素的分布情况与面扫结果相符,且 C元素含量在缺陷区存在一定的升高，基体区无明显的突变。
2.5硬度测试
对试样上黑点区域(如图1所示)和正常基体区域进行硬度测试,加载压力10N、加载时间15s,共测试4个点,黑点区域平均硬度HV1为303.5,正常基体区域平均硬度HV1为282。
黑点区域的平均硬度值比基体区域高。这是由于杂质元素O、C含量高,导致缺陷区域硬度提高,这与前面分析相符。
3、分析讨论
低倍组织中可以看出与基体明显不同的微小点状物,高倍显微组织中正常基体部位为α+β的等轴组织,缺陷部位组织异常,且硬度较高,内部存在点状物,与正常基体部分存在明显界面。缺陷处0元素和Al元素含量远高于基体的含量，基于上述特点,该缺陷比较符合非金属硬夹杂缺陷的特性,属于非金属夹杂缺陷。由于铸锭中存在硬夹杂，因缺陷处的硬度值与基体存在较大差异，锻造中受力不同在缺陷处产生微小裂纹和孔洞,在进行超声波探伤的时候出现缺陷波。
进一步的能谱分析检测结果(图8)表明,缺陷处的成分与基体的成分检测结果相比有较大区别,尤其是O、C元素,线扫描呈现200~500μm范围含量高,两端少的分布,这表明中间缺陷区域属于低密度偏析区域。这些元素的增加导致缺陷区的硬度升高变脆,综合判定此缺陷属于冶金缺陷,是由于熔炼生产过程中受到O、C等污染的钛块进入了VAR熔炼炉中,未充分扩散而形成了富氧的低密度偏析区域。生产中可能带入杂质的环节主要为原料挑选和电极焊接，如在电极压制中带入了污染的钛块，焊接过程中因保护不当导致焊疤氧化，熔炼中熔炼炉掉入的氧化物，均有可能带入夹杂。
Ti的氧化物主要为 Ti O 2 ,其熔点约 1840 ∘C,VAR炉中熔池温度能达到1800℃以上,很容易在VAR熔炼过程中溶解。因而钛的熔炼生产中一般不会形成钛的氧化物夹杂，但若局部氧含量过高，氧含量增高会导致等效铝含量的增大，此时富氧带周围易于形成Ti3Al相弥散析出[8]。能谱扫描(表2、表3)显示缺陷区域某些点的O和Al元素的含量远远高于缺陷区整体的含量，可能存在Ti3Al组织的析出(如图6a中的点4,图6b中的点3),并未有相关文献说明在TC4钛合金熔炼中存在Al2O3夹杂的可能,并且铝表面的薄氧化层会阻止内部进一步氧化，因此该处析出Ti3Al组织可能性极大。缺陷区域力学性能与TC4钛合金基体相比有很大区别,容易在后续锻造加工过程中出现裂纹和孔洞。由图3金相显示的裂纹可见,裂纹在缺陷区域分布零散,而能谱点扫显示杂质元素分布存在不均匀，也说明缺陷为非金属夹杂冶金缺陷。
4、结论
1)TC4钛合金锻件缺陷处元素分布不均,O、Al、C、N等元素含量偏高，这是非金属夹杂冶金缺陷，是由于在铸锭熔炼生产中带入的氧化物而未充分扩散形成的，过高的氧会导致富氧带区域的等效铝含量的升高，从而析出Ti3Al脆硬化相,在后续锻造过程中因力学性能不同产生微裂纹，导致锻件探伤不合格。
2)针对VAR炉熔炼钛铸锭的生产过程,严格控制原料的质量,电极压制前应选料;焊接时焊疤氩气保护到位，高要求用途的可使用真空焊箱或炉内焊接工艺;熔炼前对炉室、辅助电极及坩埚整体清理。以上措施可以有效避免熔炼过程中形成夹杂,从而减少锻件缺陷。
参考文献:
[1] LEYENS C, PETERS M. Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications[M]. Weinheim: Wi-ley-VCH，2003.
[2] LUNT D, XU X, BUSOLO T, et al. Quantification of strain localisation in a bimodal two-phase titanium alloy[J]. Scripta Materialia,2018,145:45-49.
[3]王清瑞，沙爱学，黄利军，等.显微组织类型对TC4钛合金丝材性能的影响[J].钛工业进展，2022，39(4):12-15.
[4]曹春晓.钛合金在大型运输机上的应用[J].稀有金属快报，2006，25(1):17-21.
[5]梁贤烨，弭光宝，李培杰，等.航空发动机钛火特性理论计算研究[J].航空材料学报，2021，41(6):59-67.
[6]彭玲玲.航空工业需要协调发展访中国工程院院士冯培德[J].中国科技奖励，2011(10):33-34.
[7]刘松良.大型航空锻件材料及成形技术应用现状[J].大型铸锻件，2021(6):16-18.
[8]陶春虎，刘庆瑔，曹春晓，等.航空用钛合金的失效及其预防[M].北京:国防工业出版社，2002.
（注，原文标题：TC4钛合金锻件缺陷分析）
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