Ti31钛合金棒材白斑缺陷分析

郭征 李维 何伟

摘 要 某Ti31钛合金棒料加工产品，在进行低倍检查时发现存在白斑，经过显微组织观察、微区成分分析和显微硬度测试，确定该批Ti31钛合金棒材为富钛偏析。为了消除此类缺陷，建议在Ti31钛合金熔炼过程中，控制好海绵钛与中间合金粒度的均匀性以及混料时化学成分的均匀性。

关键词 Ti31钛合金;白斑缺陷;富钛偏析

引言

Ti31（Ti-3Al-1Zr-1Mo-1Ni）是一种中强度近α型钛合金，由于其良好的高温耐腐蚀性、热稳定性、可焊性与良好的综合力学性能，Ti31合金已应用于核动力装置等重要领域[1]。

Ti31合金长期在300℃～400℃的高温环境中服役，这对材料性能要求非常高。如果服役材料成分不均匀，必然会引起宏观及显微组织的异常，而这种异常会使材料在整体上表现为性能不均匀，最终导致局部发生过腐蚀现象，降低使用寿命，是使用安全性的极大隐患。

本文探讨了Ti31合金棒材低倍检查中遇到的白斑情况，并对其进行了分析与判定，旨在为提高生产质量，为检验提供借鉴。

1实验与方法

1.1 实验材料

笔者在对某Ti31钛合金棒料进行低倍观察时发现数个形状不规则的白斑。如图1所示，推断为冶金缺陷。为准确判定缺陷类型，进一步分析缺陷产生的原因，从而为提高产品质量提供帮助，本文对该Ti31钛合金产品进行了进一步检测分析。

该棒材原料按标准要求配料，经三次真空自耗电弧炉熔炼，制成铸锭，取样分析化学成分，结果如表1所示。该结果符合技术协议要求，说明整批材料的化学成分没有问题。

然后钛合金铸锭在相变点以上开坯，下料后，再经过多次墩拔锻造，加工成成品前坯料，最后在相变点以下成型，制成成品钛合金棒材毛坯料，经扒皮，抛光，最后为成品棒材。送检时，任取一支棒材下料取样，检查低倍横截面。锻造生产过程均符合要求。

1.2 实验仪器

用ZEISS Observer.A1m光学金相显微镜观察棒材显微组织。用JSM-6460钨灯丝扫描电子显微镜进行微区成分分析。用401MWD显微硬度计进行显微硬度测试。

2结果与讨论

2.1 显微组织

由图2、图3可见，Ti31钛合金白斑区域与正常区域的显微组织均差异非常大，白斑区域为单相α组织，而正常区域为α+β两相区加工的组织，所有原始β晶界充分破碎，是典型的双态组织。根据生产工艺与热处理来说，正常的显微组织为α+β两相区加工的组织，该样品正常区域的显微组织是正确的。而白斑区域是单相α组织，发生明显的α偏聚，这是典型的偏析缺陷。因此，从显微组织的结果可以认为白斑区域为偏析缺陷，但无法判定偏析的具体类型。

2.2 微区成分分析

用显微组织检验完毕的试样切取其中包含正常区和缺陷区的一小块作为扫描电镜试样，进行区域标识，采用EDS（扫描电镜的能谱仪）分别对正常区与缺陷区进行微区成分分析，并用SEM进行组织观察，检测区域如图4所示，结果见表2，SEM观察照片见图5。

表2中的正常区域能谱分析结果验证了整批材料化学成分的检测结果，整批材料的化学成分是合格的。但是，在白斑缺陷区域Al、Zr、Mo相比于正常区域明显偏低，Ti元素含量相比于正常区域明显偏高。由此，我们判断该Ti31合金棒材的缺陷为富钛偏析。

2.3 硬度检测

分别对缺陷区和正常区域进行显微维氏硬度测试。结果如表3所示。由表3可见，缺陷区的硬度要明显低于正常区域，这符合由于合金化不足引起的富钛偏析的特点。

2.4 力学性能

该批Ti31钛合金棒材的力学性能如表4所示，均符合技术协议要求。

2.5 超声检测

除上述方法外，我们还试图用超声探伤的方法对缺陷进行分析。但在用超声波对黑斑缺陷区域和正常区域进行探伤时，超声波反射信号無差异，因此，用超声波探伤无法检测该缺陷。

2.6 讨论

这种化学成分偏析在该牌号铸锭的生产过程中就形成了，与铸锭的熔炼工艺与过程密切相关。目前生产企业大多采用三次真空熔炼自耗电弧炉熔炼法，而这种熔炼方法生产的铸锭中的化学成分偏析问题也很常见。这很可能是由于海绵钛粒度不均匀、中间合金混料过程中的分布不均匀造成的。这会引起局部区域合金元素的富集与贫乏，导致该区域的相变点偏离正常温度，而在后续的热加工过程中，就逐渐演化为异常组织，形成冶金缺陷[2]。

虽然这类缺陷对使用影响较小，但还是要消除此类缺陷。建议在Ti31钛合金熔炼过程中，控制好海绵钛粒度的均匀性以及中间合金混料时化学成分的均匀性[3]。

3结束语

（1）经过显微组织观察、微区成分分析及扫描电镜观察和显微硬度测试，确定该批Ti31钛合金棒材为富钛偏析。

（2）建议在Ti31钛合金熔炼过程中，控制好海绵钛与中间合金粒度的均匀性以及混料时化学成分的均匀性。

参考文献

[1] 李维，康聪，侯智敏，等.热处理对Ti31合金显微组织与力学性能的影响[J].热加工工艺，2019，48（16）：169-170，173.

[2] 陈胜川，刘彦昌，陈睿博，等.挤压温度对Ti31合金管坯组织和力学性能的影响[J].热加工工艺，2018，47（7）：145-147.

[3] 何伟，杨军红，杜小平，等.TA15钛合金棒材分析[J].宇航材料工艺，2015，45（2）：85-87.