Ti-230 鈦合金鍛件低倍缺陷形成原因分析

文／屠孝斌，段曉輝，張俊杰，傅開，張文，葛金余，王黎陽·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

Ti-230 合金是英國帝國金屬工業(yè)公司研發(fā)的含銅量2%～3%的鈦合金，其名義成分為Ti-2.5Cu，是一種低強(qiáng)度、高塑性的近α 型鈦合金，該合金具有中等強(qiáng)度、良好的塑性及優(yōu)異的加工性，能加工成各種棒材、板材、型材及環(huán)形件等，主要用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件。此合金的焊接性能良好，可與純鈦?zhàn)鳟惙N材料的焊接，可以熱處理強(qiáng)化，熱處理后室溫、高溫強(qiáng)度可提高20%～25%。但該合金含有的Cu 元素是一種快共析元素，在凝固的過程中易與Ti 發(fā)生共析反應(yīng)，傾向于在晶粒內(nèi)條狀α相之間生成化合物Ti2Cu，形成明顯的共析組織，這會嚴(yán)重影響鍛件的力學(xué)性能和后續(xù)使用的可靠性，甚至可能造成重大的產(chǎn)品質(zhì)量事故。

本文采用金相分析、化學(xué)分析等理化手段，對某件Ti-230 鈦合金鍛件的低倍缺陷進(jìn)行了分析，并探討了該缺陷的形成原因和機(jī)理，為提高Ti-230 鈦合金產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性提供一定的參考。

問題描述與檢測

鑄錠由真空自耗電弧爐(VAR)兩次熔煉而成，錠型φ604mm，重量約2300kg，化學(xué)成分如表1所示。經(jīng)金相法測定其(α+β)/β 相轉(zhuǎn)變溫度為894℃。該鑄錠先在β 相區(qū)拔長，經(jīng)下料后，在兩相區(qū)反復(fù)鐓拔，然后進(jìn)行沖孔、擴(kuò)孔、軋環(huán)得到規(guī)格φ1000mm×φ850mm×70mm的環(huán)材，最后進(jìn)行退火熱處理和機(jī)加工，熱處理制度：790℃×1h.AC。退火、機(jī)加工后按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各項(xiàng)出廠檢測。

表1 Ti-230 鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鍛件的超聲波探傷檢測滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5193-2007 A 級的要求，力學(xué)性能檢測也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但在鍛件的低倍檢驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)了異常，環(huán)材端面局部區(qū)域存在模糊的條紋，在該區(qū)域截取試樣塊，再將試樣進(jìn)行逐級打磨、拋光、浸蝕后，用酒精清洗并吹干，得到的低倍組織照片如圖1 所示。浸蝕溶液由體積分?jǐn)?shù)5%HF+12%HNO3+80%H2O配置而成。從圖1 中可以看出，低倍組織中有明顯的白色條紋，其走向與鍛件的變形方向基本一致。從鍛件缺陷處切取15mm×15mm 試樣進(jìn)行顯微組織、顯微硬度和微區(qū)域成分檢測和分析，然后分別在缺陷區(qū)和正常區(qū)切取□20mm×80mm試樣機(jī)加工成R7型拉伸樣，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能檢測。

檢測結(jié)果

顯微組織檢測

采用Zeiss Axiovert 200 MAT 型金相顯微鏡對條紋區(qū)域進(jìn)行觀察，條紋處顯微組織如圖2 所示。低倍下的白色條紋在高倍顯微鏡下為網(wǎng)籃組織，夾雜少量初生α 相顆粒，而基體為等軸組織，初生α 相含量高，基本呈球形或短桿形。

微區(qū)成分檢測

利用能譜儀和顯微硬度儀對缺陷區(qū)和基體區(qū)進(jìn)行微區(qū)成分分析和顯微硬度分析，分析結(jié)果如圖3 和表2 所示。

圖3 能譜分析結(jié)果

表2 基體區(qū)和缺陷區(qū)的能譜成分和顯微硬度結(jié)果

從圖3 中可以看出，基體區(qū)的Cu 含量為2.66%，與鑄錠測得的結(jié)果2.1%相近，而缺陷區(qū)Cu 含量達(dá)到了4.88%，幾乎是基體區(qū)的兩倍，明顯高于鑄錠所測的結(jié)果2.1%。

從表2 中可以看出，基體區(qū)和缺陷區(qū)存在明顯的顯微硬度差異，基體區(qū)Cu 含量為2.66%，對應(yīng)的顯微硬度值為194 ～199HV；而異常區(qū)的Cu 含量為4.88%，對應(yīng)的顯微硬度值為132 ～136HV；異常區(qū)的顯微硬度值只有正常區(qū)的2/3 左右。

室溫拉伸性能檢測

拉伸試驗(yàn)方法按GB/T 228.1-2021 進(jìn)行，檢測結(jié)果見表3。基體區(qū)抗拉強(qiáng)度為555 ～570MPa，屈服強(qiáng)度為445 ～455MPa，伸長率為28%～29%，斷面收縮率為47%～48%；缺陷區(qū)抗拉強(qiáng)度為555 ～575MPa，屈服強(qiáng)度為430 ～465MPa，伸長率為29%～30%，斷面收縮率為47%～48%；由此可見，基體區(qū)和缺陷區(qū)室溫拉伸性能基本一致。

表3 基體區(qū)和缺陷區(qū)的室溫拉伸結(jié)果

分析與討論

真空自耗爐熔煉(VAR)技術(shù)是目前生產(chǎn)鈦合金最主要的方法，由于真空電弧爐自身的特點(diǎn)，其生產(chǎn)出來的合金錠可能存在一些缺陷，如難熔金屬夾雜、間隙元素偏析、合金元素偏析引起的組織缺陷、反常的α 相形態(tài)等組織缺陷，還有化學(xué)成分宏觀和微觀偏析等等。微觀偏析是引起某些組織缺陷和宏觀偏析的根本原因，而且它必然會存在于熔煉過程中。趙永慶等發(fā)現(xiàn)，Ti-230 合金中Cu 元素在宏觀以及晶內(nèi)有較大的偏析傾向，容易在以Ti2Cu 相或β 相為主的晶界富集，在以α 相為主的晶界貧化。這說明Ti-230 合金在熔煉過程中較一般鈦合金更容易產(chǎn)生成分偏析，這很大概率導(dǎo)致了本案例中鍛件上的β 斑。

從王寒等的研究來看，鍛件上的亮斑或暗斑，形成原因主要有兩個(gè)，一是加熱或鍛造造成的，其缺陷或靠近表面區(qū)域或分布于變形量較大的區(qū)域，這是因?yàn)樵诩訜徇^程中，坯料擺放位置不當(dāng)，使超出加熱爐有效區(qū)的坯料局部溫升，從而形成“局部暗斑”。過快的鍛造變形速率，使得變形量較大的區(qū)域溫升，溫度高于相變點(diǎn)而進(jìn)入單相區(qū)，最終出現(xiàn)了亮斑區(qū)α相含量少的現(xiàn)象，從而在鍛件變形量較大的中間區(qū)域形成流線形亮條。二是由于原材料成分偏析造成。偏析區(qū)域β 相變點(diǎn)溫度比基體低，使得熱加工過程易形成β 斑點(diǎn)，表現(xiàn)為低倍下的亮斑。本案例中，從能譜分析結(jié)果中可以看出存在明顯的成分偏析，顯微硬度結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。缺陷區(qū)域Cu 含量明顯偏多，降低了缺陷區(qū)域的相變點(diǎn)，使其相變點(diǎn)低于始鍛溫度而高于終鍛溫度，最終在偏析區(qū)形成了網(wǎng)籃組織，在低倍上表現(xiàn)為條狀亮斑。

因此，造成Ti-230 鍛件β 斑的原因是局部成分偏析。為避免此類缺陷的產(chǎn)生，可采取以下措施：

⑴選用高品位的海綿鈦和中間合金，減少原料引入的偏析；

⑵加強(qiáng)熔煉過程控制，降低偏析傾向；

⑶在鍛造加熱時(shí)，適當(dāng)延長鑄錠β 相區(qū)以上加熱和保溫時(shí)間，并確保坯料擺放在有效加熱區(qū)內(nèi)，使合金元素充分?jǐn)U散，促進(jìn)微區(qū)成分均勻化，改善微觀偏析；

⑷在各工序間加強(qiáng)檢驗(yàn)，盡量消除或減少偏析。

結(jié)論

⑴Ti-230 鍛件的β 斑是由于成分偏析造成的，Cu 元素存在明顯偏析，降低了局部相變點(diǎn)，鍛后局部形成了網(wǎng)籃組織，在低倍上表現(xiàn)為條狀亮斑。

⑵Ti-230 合金中β 斑對探傷性能、室溫拉伸性能的影響很小，但會明顯降低顯微硬度值。

⑶為避免Ti-230 成分偏析的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)熔煉的原材料和過程控制，適當(dāng)延長鑄錠β 相區(qū)以上加熱和保溫時(shí)間，加強(qiáng)各工序間的檢測，以達(dá)到消除或減少偏析的目的。