TA15鈦合金棒材缺陷分析

引言

TA15 是一種高鋁當量損傷容限型近α 鈦合金，具有良好的熱強性和可焊性，有接近α － β 型鈦合金的工藝塑性，是我國航空領域重要的結構材料［1］。雖然TA15 是近α 鈦合金，但其性能與α － β 型鈦合金性能接近。因此，如果微區成分不均勻，必然會引起宏觀組織及顯微組織的異常，從而導致異常區域與正常區域硬度顯著的差異性，而這種差異性會使材料在整體上表現為性能不均勻，最終萌生疲勞裂紋源，給零件用的安全性也帶來極大隱患，同時降低該合金的使用壽命［2］。在對TA15 鈦合金低倍進行檢查時，經常發現亮條、亮斑等缺陷。這些缺陷雖然可能在生產過程中沒有形成裂紋、孔洞等缺陷，又很難通過無損探傷的方法檢測出來，而缺陷的存在可能會嚴重影響材料的使用可靠性和穩定性。因此，為了確保TA15 鈦合金棒材的使用可靠性，必須對亮條、亮斑這類缺陷進行分析，以及它對性能可能的影響。本文探討了TA15 合金棒材偏析中遇到的此類缺陷的分析與判定方法，旨在提高生產質量，為檢驗提供借鑒。

1、實驗

1. 1 材料

在對某TA15鈦合金棒料進行低倍檢查時發現，有一個不規則的亮斑缺陷，如圖1 所示，疑似偏析缺陷。為判定該缺陷類型，分析該缺陷產生的原因，避免類似缺陷再次產生，對該TA15 鈦合金產品進行了進一步檢測分析。

該棒材原料按標準要求配料，經三次真空自耗電弧爐熔煉，制成Φ640 mm 的鑄錠，取樣分析化學成分，結果如表1 所示。該結果符合GB /T 3620. 1—2007 鈦合金成分國家標準，說明整批材料的化學成分沒有問題。

然后鈦合金鑄錠在相變點以上開坯，下料后，再經過多次墩拔鍛造，加工成成品前坯料，最后在相變點以下成型，制成成品鈦合金棒材毛坯料，經扒皮，拋光，最后為成品棒材。送檢時，任取一支棒材下料取樣，檢查低倍橫截面。鍛造生產過程均符合要求。

1.2 實驗儀器

用ZEISS Observer． A1m 光學金相顯微鏡觀察棒材顯微組織。用JSM － 6460 鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行微區成分分析。用401MWD 顯微硬度計進行顯微硬度測試。

2、結果與討論

2.1 顯微組織

在低倍組織觀察的基礎上，對亮斑處進行研磨、拋光、腐蝕，在顯微鏡上進行觀察，其缺陷區域、過渡區域及正常區域的顯微組織如圖2。

由圖2 可見，TA15 鈦合金亮斑缺陷區與正常區域的顯微組織區別非常明顯，缺陷區α 相含量非常高，只有極少量β 相。而正常區α 相與β 相的含量均在正常水平。因此，從顯微組織的結果已經完全可以判定亮斑缺陷為偏析缺陷。

2. 2 微區成分

在已顯微組織檢驗的試樣上切取包括一小塊缺陷區域和正常組織的掃描電鏡試樣，然后進行缺陷區域標識，采用掃描電鏡的能譜儀( EDS) 分別對缺陷區域和正常區域進行微區成分分析和SEM 觀察，檢測區域如圖3 所示，結果見表2，SEM 觀察照片見圖4。

表2 中的正常區域能譜分析結果驗證了整批材料化學成分的檢測結果，整批材料的化學成分是合格的。在亮斑缺陷區域卻出現了明顯的富鈦和貧鋁元素的情況。由此，判定該TA15 合金棒材為典型的富鈦貧鋁型的偏析。

2.3 顯微硬度

分別對缺陷區和正常區域進行顯微維氏硬度測試。結果如表3所示。由表3 可見，缺陷區的硬度要低于正常區域7%左右，由此可以進一步證實亮斑缺陷為富鈦貧鋁的偏析。

2.4 力學性能

該批TA15 鈦合金棒材的力學性能如表4所示，均符合標準要求。

2.5 討論

從顯微組織的結果來看，它符合富鈦偏析顯微組織的形貌—即偏析區的等軸初生α 相含量高于基體。而微區成分分析結果也完全證明該亮斑為富鈦貧鋁偏析。

從對偏析區和正常區的顯微硬度測試結果來看，偏析區的平均顯微硬度比正常區低7%，也符合差別在10%以下的規律，再次印證了富鈦偏析的結論。而且可以進一步認定該偏析是一種非脆性偏析。這種偏析不會對材料整體的力學性能產生明顯的影響。

這種化學成分偏析主要與鈦合金的熔煉工藝有關，在鑄錠生產中就已存在。我國目前絕大部分生產廠家對于鈦合金的冶煉生產都采用三次真空熔煉自耗電弧爐熔煉法。該方法在冶煉過程中，由于海綿鈦、中間合金的粒度分布不均勻，會造成合金元素分布不均，引起局部區域合金元素貧化或富集，致使該區域的合金相變點偏離正常合金的相變點，在以后的熱加工過程中，容易出現異常組織，形成冶金缺陷［3］。

由此可見亮斑是一種冶金缺陷，要預防和避免亮條的產生，必須從改進冶煉工藝著手。建議在TA15鈦合金冶煉過程中，提高電極的焊接質量，嚴格控制海綿鈦和中間合金的化學成分和顆粒大小、分布應盡量均勻等［4］。

3、結論

( 1) 經過顯微組織觀察、微區成分分析及掃描電鏡觀察和顯微硬度測試，確定該批TA15 鈦合金棒材為富鈦貧鋁的非脆性偏析。

( 2) 對該TA15 合金棒材中不影響使用的偏析，只要性能滿足標準要求，切除偏析后可繼續交貨。

參考文獻

［1］洪權，張振祺． Ti － 6Al － 2Zr － 1Mo － 1V 合金的熱變形行為［J］． 航空材料學報， 2001， 21( 1) : 10 － 12

［2］朱勤，張延生，何龍． TC4 合金棒材成分偏析組織的分析與判定［J］． 稀有金屬快報， 2007( 5) : 37 － 39

［3］蔡建明，張旺峰，李臻熙等． TC11 鈦合金葉片上亮條和暗條的性質及控制［J］． 材料工程， 2005( 1) : 16 － 19

［4］劉俊，湯光平，楊桂珠． TC4 鈦合金棒料亮條紋缺陷分析［J］． 理化檢驗—物理分冊， 2011， 47( 10) : 646 － 648