TC25合金Ⅱ級高壓壓氣機盤缺陷分析

張江峰，陳 鵬，張仕恒，許木雨，王泰銘

(貴州黎陽國際制造有限公司，貴州 安順 561102)

鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優異的抗腐蝕能力，因此在航空、航天和船舶等方面得到了廣泛的應用[1-2]。如蘇-27飛機上各種鈦合金零部件的重量約占飛機結構的15%，F15飛機占27%，而第四代戰機F22上鈦合金用量高達41%[2]。TC25鈦合金屬于馬氏體α+β型熱強鈦合金，鑒于合金中含有Sn和W，因此可以緩解合金元素在α與β相之間的重新分配過程，有利于提高合金的熱穩定性。TC25合金在550 ℃工作溫度下的壽命可達3000 h，在500 ℃下可達6000 h，因此TC25合金廣泛用于航空發動機的高壓壓氣機部分[3-4]。

1 原材料生產過程及缺陷產生

該批Ⅱ級高壓壓氣機盤在入廠復驗時進行X射線探傷檢查時，發現其中一件錠節號T2-2-5的輪緣部位有一處大小約0.6 mm的高密顯示；對顯示部位進行水浸探傷檢查，未發現有缺陷顯示，對零件表面進行打磨、腐蝕檢查，表面沒有發現異常；再返探傷室進行X射線檢查，在原輪緣位置仍存在高密顯示。

本文主要對上述缺陷性質及產生原因進行了分析，并根據缺陷產生的原因給出了這批TC25合金Ⅱ級高壓壓氣機盤件的處理意見。

2 試驗過程與結果

2.1 宏觀檢查及缺陷定位

Ⅱ級高壓壓氣機盤零件的外觀見圖1，缺陷位于輪緣上，見圖1中的箭頭所示。將缺陷用線切割取樣，再用X射線換一個方向照射進行深度方向的定位：高密顯示缺陷距零件表面約為2 mm。

圖1 零件外觀及高密顯示表面投影位置

2.2 金相檢查

在高密顯示位置取樣進行金相檢查，試樣的磨制方向平行于零件表面，在磨制過程中反復進行磨削量測量及目視檢查。當試樣磨下去1.5 mm時，砂紙出現劃傷現象，對試樣進行檢查，發現表面有一硬質點。腐蝕后檢查，發現試樣表面有一明顯的呈“魚眼”特征的缺陷顯示，“魚眼”缺陷中間呈亮白色，邊緣過渡區呈黑色，正常位置試樣表面呈灰色，見圖2所示。放大后觀察，缺陷形貌見圖3，缺陷中心亮白色區域呈“月牙形”；在缺陷過渡區局部位置可見魏氏組織特征，見圖4。

圖2 “魚眼”缺陷宏觀形貌 圖3 缺陷放大后形貌

2.3 電鏡及能譜分析

在掃描電鏡下，對金相試樣進行檢查，缺陷整體大小約為3.0 mm×0.7 mm，中心亮白色區域大小約

圖4 (a)、(b)缺陷過渡區局部“針狀”魏氏組織特征

為0.56 mm×0.26 mm。缺陷電鏡下形貌見圖5(a)，用背反射電子觀察，缺陷形貌見圖5(b)。對缺陷進行能譜分析，分析位置見圖5(c)，結果見表1。從能譜分析的結果可以看出，中心亮白色區域為純鎢，從缺陷中心位置到正常基體，鎢的含量逐漸減小。

圖5 電鏡及能譜分析

表1 能譜分析結果(mass%)

2.4 生產復查結果

原料和中間合金都經過復驗合格后投入使用。按照配比共壓制電極塊54塊，單塊電極重量54 kg，每18支電極塊組焊成一支自耗電極，共3支自耗電極。經過三次真空自耗熔煉、扒皮、切冒口及錠底后生產出一支Φ620 mm成品鑄錠，重量為2804 kg。經查混料、壓電極、熔煉等生產記錄，顯示生產過程正常，鑄錠經過化學成分檢驗，符合要求。

鑄錠經帶鋸下料后轉入鍛造工序，查詢鍛造生產記錄，過程正常，未發現異常問題。生產檢驗完成后，涉及到此次缺陷的TC25合金盤共計10件，錠節號分別為T1-2-1，T1-2-4，T1-2-5，T1-2-6，T1-2-8，T2-2-1，T2-2-2，T2-2-3，T2-2-4，T2-2-5。其中錠節號為T1-2-2，T1-2-3，T1-2-7三支棒材由于鍛造尺寸不能滿足尺寸要求，并未交付。

經過排查，此次出現鎢夾雜的零件錠節號為J2-2-5，位于鑄錠底部。進一步分析錠節號為J2-2-5產生鎢夾雜的原因是鑄錠生產過程中被YG8刀頭污染的起弧料造成的。

真空自耗熔煉在自耗電極熔化的同時熔池也在順序凝固，在一次熔煉階段，一次錠鎢夾雜部位位于鑄錠的底部，起弧時水冷坩堝的周邊冷卻和底部冷卻雙重作用使得凝固過程較為強烈，而鑄錠底部合金元素還來不及擴散；二次熔煉階段鎢夾雜部位位于鑄錠冒口端，正常熔煉時熔池深度約為鑄錠直徑的1/3(約190 mm)，熱封頂階段，熔煉電流的降低導致熔池深度相對變淺，此時熔池深度應小于190 mm；三次熔煉階段鎢夾雜部位位于鑄錠的底部，與一次熔煉相似，合金元素仍不會迅速擴散。根據計算得出鎢夾雜部位位于距成品錠底0～150 mm范圍內。由于鎢的比重為19.35 g/cm3，遠大于鈦合金的比重，不熔物容易沉入熔池底部，成品鑄錠切除50 mm錠底后，夾雜可能存在的區域應為距成品錠錠底0～100 mm范圍內，上限重量為136 kg。鍛造階段，每支鍛坯重量為77 kg，以此推算，鎢污染部位存在于節號為J2-2-5的成品中的可能性最大。

3 結論

1)高密顯示缺陷呈“魚眼”形貌，可見明顯的過渡區特征；缺陷中心白亮色區域為純鎢，由此可以確定：缺陷的性質為鎢夾雜。

2)通過X射線復查，缺陷位置能譜分析及生產復查，確定了缺陷產生的原因是由于起弧料被YG8刀頭污染所致，此類缺陷在超聲波探傷時，不能發現該類缺陷；而X射線檢測能有效發現該類高密度夾雜。

3)鈦合金夾雜問題的主要表現形式為W、Mo夾雜及其中間合金夾雜，此類高密度夾雜可以通過X射線探傷手段有效發現，因此需要高度重視此類問題。