TC4钛合金棒材的缺陷分析

张 杰，马红征，廖 强，文 宁

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

0 引言

钛及钛合金是20世纪50年代兴起的一种重要金属结构材料，其中TC4合金是国内外应用最广泛的α＋β型钛合金，由于它具有比强度高、耐腐蚀性好和综合性能优越等特点，在航空航天、化工机械、医药工程等行业得到广泛应用［1－2］。TC4合金常见的缺陷有合金元素的偏析和夹杂物、铸造组织的残留、α脆化层、氢脆以及β脆性和锻造裂纹等。

某单位在对TC4钛合金棒料加工的产品进行机加工时发现在其表面上有一处4.3mm×0.68mm左右的裂纹，为分析该缺陷产生的原因，避免类似缺陷的发生，笔者采用各种理化检验手段对该TC4钛合金产品进行了分析。

1 缺陷简述

发现缺陷的TC4棒材规格为Φ190mm×L，它是用3次真空自耗电弧熔炼Φ720mm的铸锭下料，铸锭在相变点温度上开坯成Φ270mm的棒坯，棒坯在相变点下经过四火次镦拔后锻造、扒皮、锯切成型的。TC4棒材的化学成分见表1，符合GB/T3620－2007标准要求；其物理性能见表2，符合GJB1538－92要求，无损检测符合标准要求，未发现4.3mm×0.68mm的缺陷。

TC4棒改锻环件工艺是在950℃两火次加热，锻造成饼材，饼材扩口成环材，其缺陷的产生有可能是因为改锻工艺不当造成开裂，也有可能是棒材本身存在着冶金缺陷如夹杂、偏析、气孔等，而在随后的改锻过程中由冶金缺陷造成开裂。

表1 TC4合金棒的化学成分（质量分数） %

表2 TC4合金棒的物理性能

2 试验

对缺陷试件通过金相显微镜、扫描电镜及能谱、XPS、显微硬度计进行了特征鉴定。

2.1 金相检验结果

图1为缺陷的金相组织形貌，图2为基体部位的金相形貌。从图1和图2中可以看到：缺陷区的白色相较基体多，左边部分为扭曲、未充分变形的粗大α相条状组织，越是靠近缺陷内腔表面，白色的α相越聚集，也越粗大，缺陷右边为白色的粗大亮块，亮块上分布有黑色的裂纹，基体组织是经过良好变形形成的等轴加β转组织。

2.2 扫描电镜形貌及能谱分析

缺陷的横截面呈长条形，宽约0.6mm。从缺陷横截面的低倍二次电子像（见图3）可以看出：缺陷右半部分与基体正常组织之间有较明显的界线；缺陷左半部分与基体间虽然没有看到明显界线，但存在影响区，缺陷断裂面呈明显的脆性断裂特征，有较为明显的断裂面，应为准解理断裂。从对应部位的背散射像（见图4）可以看到很多从缺陷向基体中延伸的细线，这是明显的二次裂纹特征。图5、图6分别为缺陷区和正常区的能谱成分分析结果，正常区（两相区）成分很接近Ti－6Al－4V名义成分，而缺陷区Al、V尤其是β相稳定元素V含量很低，V质量分数仅1.8%。

图1 缺陷处金相组织

图2 基体金相组织

图3 缺陷横截面的低倍二次电子像

图4 与图3对应部位的背散射电子像

图5 缺陷区的能谱分析

图7为缺陷周边区域的能谱分析结果，显示Al、V含量均很低。

2.3 硬度测试结果及分析

由于横截面缺陷区测试面面积小，测试面与压头的垂直度差，不能进行显微维氏硬度测试，因此对试样的纵截面缺陷区和基体进行显微维氏硬度测试，缺陷区按如图8所示位置测试，基体任意区域选3个测试点。

图6 正常区的能谱分析

图7 缺陷周边区域的能谱分析

从测试硬度值（见表3）可以看出：缺陷区硬度值显著高于基体，缺陷的平均硬度值高于基体平均值130HV，说明缺陷区域比基体硬。

图8 缺陷区硬度测试点的区域图

表3 缺陷区和基体显微硬度测试值

2.4 XPS光电能谱分析

对试样的基体和缺陷区进行XPS光电能谱分析，探测两区域C、N、O气体元素含量分布的差别。测量采用逐级离子溅射剥离金属表面空气氧吸附层逐级测量XPS谱线，在两次氧含量测量值相近时，XPS测得的谱线为测定区域的本征谱线。XPS分析试样的位置如图9所示，P1为基体，P2、P3、P4为缺陷区域。

图9 XPS分析测试的位置

表4为XPS谱线测量的元素原子数百分含量。从表4可以看出：缺陷区里富氧且含碳和少量氮，铝、钒含量较基体低，P3区域氧含量最高。

表4 XPS谱线测量的元素原子数百分含量

3 分析讨论

缺陷区左边Al、V含量尤其是V含量偏低，富氧含碳和少量氮，组织为粗大的α相；缺陷区硬度比基体值高，表现为准解理脆性断裂，缺陷的左边部和基体无明显的界限存在影响区，缺陷区左边的这些特征表征它为低密度偏析区，是在熔炼时受到氧污染而形成的。缺陷的右边和基体有明显的界限，Al、V含量偏低，氧含量高于左边缺陷区，含碳和少量的氮，表现为硬夹杂的特性。

综合缺陷的左、右特征可以判断此缺陷是由于氧化的海绵钛在熔炼过程中形成的，海绵钛微弱氧化熔化后形成低密度偏析缺陷区，海绵钛严重氧化熔化后形成富氧的夹杂，此缺陷是冶金缺陷。缺陷区富氧含碳和少量氮会使此区域硬度增高和变脆，有时还会形成脆性相Ti3Al，在热锻造过程中，此区域变形能力和变形协调能力都很差，熔炼形成的粗大的片状α和亮块很难破碎，组织易表现为粗大α，也易产生裂纹，是对材料危害比较大的缺陷。

根据熔炼工艺，此类缺陷容易在铸锭的底部出现，熔化起弧时，起弧电流不稳定容易使底部铺撒的海绵钛氧化和熔化的不充分，形成夹杂和偏析区，探伤时不易发现。为了防止此缺陷给产品带来的危害，铸锭的底部应锯切掉名义直径6%～8%的长度。

［1］刘莹，曲周德，王本贤.钛合金TC4的研究开发与应用［J］.兵器材料科学与工程，2005，28（5）：47－50.

［2］赵树萍，吕双坤.钛合金在航空航天领域中的应用［J］.钛工业进展，2002（6）：18－21.

［3］张英明，周廉，孙军，等.钛及钛合金真空自耗电弧熔炼技术发展［J］.稀有金属快报，2008（5）：9－14.

［4］朱勤，张延生，何龙.TC4合金棒材成分偏析组织的分析与判定［J］.稀有金属快报，2007（5）：37－39.