鄭翠萍,田 園,李雅馨,劉婭玲,高 婷,韓明臣,舒 瀅
(西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)
TC6(Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si)是一種綜合性能良好的馬氏體型α+β兩相鈦合金。由于TC6是兩相鈦合金,如果微區(qū)成分不均勻,會(huì)導(dǎo)致異常區(qū)域與正常區(qū)域硬度的顯著差異,使材料在整體上表現(xiàn)為性能不均勻,最終萌生疲勞裂紋源,給零件使用的安全性帶來極大隱患。鈦合金制品中不可避免地會(huì)存在一些冶金缺陷,如偏析、夾雜等,這些缺陷的存在將會(huì)對(duì)制品的組織、力學(xué)性能和后續(xù)使用的可靠性帶來嚴(yán)重影響[1-3]。這也是鈦工業(yè)工作者一直以研究和致力解決的問題。
TC6鈦合金其名義成分為Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5 Fe-0.3Si,標(biāo)準(zhǔn)要求的TC6鈦合金的化學(xué)成分(如表1所示)。該合金可在400℃~450℃下長時(shí)間工作,主要用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)動(dòng)件及緊固件等。
TC6合金一般采用兩次或三次真空自耗熔煉成錠,經(jīng)開坯鍛造或軋制,再經(jīng)模鍛和其它熱加工工藝過程成為航空零部件。
在TC6鈦合金棒材的生產(chǎn)檢驗(yàn)過程中,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了兩種肉眼可見的冶金缺陷,即亮條和暗斑。為確定這些缺陷的屬性,采用了光學(xué)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、顯微硬度計(jì)進(jìn)行了檢驗(yàn)和鑒別,并提出了相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施。
TC6棒材的生產(chǎn)流程為:海綿鈦、中間合金(AlMo、AlSi、AlFe)和純鋁、鈍鉻,經(jīng)配料、電極壓制焊接成自耗電極,三次真空自耗電弧爐熔煉成鑄錠,兩相區(qū)多火次鐓拔鍛造成大規(guī)格棒材,或再通過精鍛、軋制成小規(guī)格棒材。對(duì)于生產(chǎn)的φ13mm、φ85mm和φ150mm三種規(guī)格的TC6鈦合金棒材,低倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了肉眼可見的亮點(diǎn)(亮塊)和暗斑缺陷(見圖1和圖2)。這些缺陷的特征是,有清晰的輪廓,在個(gè)別的局部地方出現(xiàn),沒有貫穿整根棒材,屬于非連續(xù)性的點(diǎn)狀或塊狀宏觀缺陷。
圖1 φ13 mm
圖2 φ85mm
圖3 φ150mm
圖4 φ13 mm棒材暗點(diǎn)和正常區(qū)的顯微組織
φ13mm棒材的低倍暗點(diǎn),在產(chǎn)品超聲波探傷時(shí)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)反射波,觀察該部位的顯微組織,發(fā)現(xiàn)除顏色與周圍有明顯的不同外,其晶粒形態(tài)、大小與周圍基體組織沒有明顯的不同,也與周圍基體沒有明確的界限。φ85mm棒材的低倍亮斑,其顯微組織顯示為片狀α,其中初生α很少或幾乎沒有,缺陷部位與周圍基體的界限相對(duì)明顯,并存在過渡區(qū)。φ150mm的TC6棒材的黑斑,在棒材超聲波檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)雜波高,黑斑區(qū)的顯微組織除顏色與周圍有明顯的不同外,其晶粒形態(tài)、大小與周圍基體組織沒有明顯的不同,也與周圍基體沒有明確的界限,周圍有過渡區(qū)。
表1 TC6鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)
圖5 φ85 mm棒材亮斑的顯微組織
圖6 φ150 mm棒材黑斑的 顯微組織
利用掃描電鏡的能譜分析,對(duì)φ13 mm暗點(diǎn)區(qū)進(jìn)行了微區(qū)成分分析(表2),發(fā)現(xiàn)暗點(diǎn)區(qū)與正常區(qū)相比,Al、Cr、Mo、Fe、Si均有明顯差異。顯微硬度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),暗點(diǎn)區(qū)與正常區(qū)也有明顯的差別(正常區(qū):341.7亮點(diǎn)區(qū):282.3)。對(duì)φ85mm亮斑的微區(qū)成分分析結(jié)果表明(表3),基體里的鋁平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.11%,亮斑區(qū)鋁的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.30%,且碳氧含量較基體高。亮斑處的顯微硬度,明顯高于基體(正常區(qū):332.6,亮斑區(qū):430.3)。對(duì)φ150mm黑斑區(qū)的微區(qū)成分分析結(jié)果表明(表4),黒斑區(qū)成分除Mo、Cr有明顯差別外,其他元素成分與正常區(qū)基本一致。顯微硬度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),黑斑區(qū)與正常區(qū)也有明顯的差別(正常區(qū):330.6,黑斑點(diǎn)區(qū):302.3)。
表2 φ13 mm棒材的微區(qū)化學(xué)成分
表3 φ85 mm棒材的微區(qū)化學(xué)成分
在光學(xué)顯微鏡下,材料形成暗點(diǎn)或暗斑,多數(shù)是富β的偏析,如暗斑,雖然α穩(wěn)定元素Al、β穩(wěn)定元素Mo較基體區(qū)稍少,但Cr、Fe、Si的含量較基體高,最終導(dǎo)致該區(qū)的β相含量升高;而黑斑,其元素Cr含量雖然有所減少,但Mo的含量較基體提高了1倍,也導(dǎo)致了該區(qū)β相含量升高,形成β偏析。材料中存在亮點(diǎn)或亮斑,富α的偏析居多,如亮斑,Al和間隙元素C、O等α穩(wěn)定元素含量的升高,導(dǎo)致該區(qū)α相含量增多。由于在兩相合金中,較之α相,β相的耐蝕性稍差,在金相試樣上表現(xiàn)為富β偏析的顏色發(fā)暗,富α偏析的顏色發(fā)亮。
從其生產(chǎn)過程分析,對(duì)于不連續(xù)、呈點(diǎn)狀分布的顏色發(fā)暗的富β偏析,更多是因?yàn)榕淞祥g合金成分不均勻,而顏色發(fā)亮、碳氧偏高的富α偏析,則應(yīng)是混入了氧、碳污染了的海綿鈦或中間合金。自耗電極電弧熔煉是一個(gè)邊熔化邊結(jié)晶的過程。電弧熔煉整體熔池溫度過熱度有限,特別是氧、碳污染的海綿鈦,其熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鈦,熔煉過程中很難熔化,且熔池保持液態(tài)的時(shí)間短,最終保留到鑄錠中,導(dǎo)致偏析。
TC6鈦合金棒材偏析,導(dǎo)致缺陷區(qū)域和正常區(qū)域存在明顯的硬度差別,又必然會(huì)導(dǎo)致鈦合金材料整體范圍內(nèi)的性能不均勻,進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能,尤其是偏析區(qū)域與正常區(qū)域界面容易應(yīng)力的集中,進(jìn)而萌生疲勞裂紋,降低鈦合金材料的可靠性和使用壽命。
按偏析區(qū)域與正常區(qū)域硬度的高、低差別分類,可將鈦合金的偏析分為脆性偏析與非脆性偏析兩類[1]。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如產(chǎn)品中僅存在軟偏析,且各項(xiàng)性能符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求,一般切除該偏析部位后,產(chǎn)品仍可組批交付。富碳、氧,硬度明顯高于基體,應(yīng)屬于脆性偏析。脆性偏析對(duì)產(chǎn)品整體性能和質(zhì)量影響較大,不允許剔除后使用,應(yīng)整批報(bào)廢。
表4 φ150 mm棒材的微區(qū)化學(xué)成分
(1)TC6鈦合金棒材中的偏析,在組織形貌上一般以亮斑或黑斑形式存在,可以分為脆性偏析和非脆性偏析,偏析缺陷的形成主要與合金的制備過程和原料的使用有關(guān)。
(2)為了減少或消除合金鑄錠中的偏析,應(yīng)從原料選擇、電極制備、合金熔煉等工藝的優(yōu)化、現(xiàn)場管理和過程控制著手,建議如下:①優(yōu)化中間合金的添加形式和電極布料方式,確保各種配料均勻分布,用合金包配制合金時(shí),應(yīng)確保每種合金元素在合金包內(nèi)均勻分布,用混料方式配制合金時(shí),應(yīng)考慮各種添加原料(包括海綿鈦)的粒度,盡可能保持其粒度相近或一致;②避免使用回收的鈦屑熔煉鈦錠,如果使用,則應(yīng)采取措施將鈦屑表層的污染層去除干凈;③盡量選用質(zhì)量有保證的海綿鈦,同時(shí)應(yīng)采用措施將被碳、氧、氮污染了的海綿鈦挑選出去;④優(yōu)化鑄錠的熔煉參數(shù),在穩(wěn)定熔煉階段,確保熔煉電流和弧壓的穩(wěn)定,使用合適的攪拌方式和攪拌參數(shù),以防止電流和電壓的波動(dòng)影響熔煉過程中熔化和凝固的平衡狀態(tài)。⑤鑄錠開坯時(shí),為了減輕鑄錠中的偏析,鍛造前可以將鑄錠在β相區(qū)以上較高溫度長時(shí)間保溫,使偏析區(qū)和基體的合金元素得到相對(duì)較為充分的擴(kuò)散,使微區(qū)的成分得到一定程度的均勻化,改善微觀偏析。