侯 睿，楊曉康，毛江虹

（西安賽特金屬材料開(kāi)發(fā)有限公司，陜西 西安 710299）

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)。廣泛航空、航天、化工、醫(yī)療、造船等工業(yè)。由于鈦及其合金的優(yōu)異抗蝕性能，良好的力學(xué)性能，以及合格的組織相容性，使它用于制作假體裝置等生物材料。廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)出的鈦合金產(chǎn)品幾乎滲透到，現(xiàn)代生活衣食住行各個(gè)方面。在生產(chǎn)中我們發(fā)現(xiàn)，鈦合金產(chǎn)品表面質(zhì)量常見(jiàn)缺陷有過(guò)腐蝕、掛灰、氧化皮未除盡、亮線(xiàn)及條紋狀花斑幾種。

1 零件表面出現(xiàn)的問(wèn)題

TC4鈦合金零件經(jīng)過(guò)氮化處理后，在零件表面發(fā)現(xiàn)存在明顯的亮線(xiàn)區(qū)域。通過(guò)對(duì)零部件的各部位的觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)亮線(xiàn)在零部件長(zhǎng)度方向連續(xù)分布，在零部件的厚度方向貫穿分布。取亮線(xiàn)區(qū)域表面進(jìn)行宏觀(guān)形貌分析，其宏觀(guān)形貌如圖1所示。

由圖中可以看出，亮線(xiàn)區(qū)域呈現(xiàn)明顯的兩層特征：一層(標(biāo)記為A)較明顯，亮線(xiàn)較窄；另一層(標(biāo)記為B)較淺，亮線(xiàn)較寬。

為了弄清楚亮線(xiàn)產(chǎn)生的原因，對(duì)亮線(xiàn)區(qū)域取樣進(jìn)行了金相組織形貌分析（表面與截面）、掃描能譜分析及各特征區(qū)域硬度分析。

圖1 零部件亮線(xiàn)位置及宏觀(guān)形貌

2 試驗(yàn)方法

對(duì)TC4鈦合金零件在OLYMPUSPMG3倒置式金相顯微鏡對(duì)亮線(xiàn)部位進(jìn)行金相顯微組織分析；采用450SVD型數(shù)顯維氏硬度計(jì)對(duì)正常區(qū)域和亮線(xiàn)部位進(jìn)行測(cè)試；采用JSM6460型掃描電鏡對(duì)正常區(qū)域和亮線(xiàn)部位進(jìn)行能譜分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 顯微組織形貌分析

亮線(xiàn)區(qū)域、基體區(qū)域表面微觀(guān)組織形貌分別如圖2、圖3所示；亮線(xiàn)區(qū)域、基體區(qū)域截面微觀(guān)組織形貌分別如圖4、圖5所示。

由圖可以看出，亮線(xiàn)區(qū)域相比較基體區(qū)域具有明顯不同的特征：基體區(qū)域呈現(xiàn)雙態(tài)的α+β組織(見(jiàn)圖3、圖5)；而在亮線(xiàn)區(qū)域的A層，呈現(xiàn)單相組織形態(tài)，部分區(qū)域具有等軸晶粒的組織特征(見(jiàn)圖2、圖4)；在亮線(xiàn)區(qū)域的B層，雖呈現(xiàn)雙態(tài)的α+β組織形態(tài)，但α相含量略多且尺寸較大。同時(shí)，對(duì)亮線(xiàn)的寬度進(jìn)行了測(cè)量，亮線(xiàn)A層寬度約為71.8um～133.3um，亮線(xiàn)B層寬度約為359.1um～381.3um。

圖2 亮線(xiàn)區(qū)域表面微觀(guān)組織形貌

圖3 基體區(qū)域表面微觀(guān)組織形貌

3.2 各特征區(qū)域能譜分析

對(duì)亮線(xiàn)區(qū)域各層及基體進(jìn)行能譜分析，在每個(gè)特征區(qū)域取3處進(jìn)行能譜面掃描，之后計(jì)算出各區(qū)域能譜分析結(jié)果的平均值，如表1所示。由表中可以看出，在異常亮線(xiàn)A層區(qū)域無(wú)V元素，主要含有Al和Ti兩種元素，且Al元素含量?jī)H有0.84%，O元素含量為0.42%；異常亮線(xiàn)B層主要含有Al、V、Ti元素，與基體元素含量相比，異常亮線(xiàn)B層的Al元素含量與基體Al元素含量相當(dāng)，但V元素含量低于基體V元素含量，O元素含量為0.30%；基體中的Al、V、O為正常值。

圖4 亮線(xiàn)區(qū)域截面微觀(guān)組織形貌

圖5 基體區(qū)域截面微觀(guān)組織形貌

表1 各特征區(qū)域能譜分析結(jié)果

3.3 各特征區(qū)域硬度分析

對(duì)異常亮線(xiàn)及基體區(qū)域進(jìn)行顯微維氏硬度分析，選取載荷200g，加載時(shí)間30s，硬度分析的位置如圖6所示，異常亮線(xiàn)A層取3點(diǎn)(標(biāo)記為1)進(jìn)行硬度測(cè)試；沿亮線(xiàn)寬度方向向基體依次進(jìn)行8點(diǎn)(標(biāo)記為2～9)硬度測(cè)試，硬度點(diǎn)2～5的位置處于異常亮線(xiàn)B層區(qū)域，硬度點(diǎn)6～9的位置處于基體區(qū)域；各區(qū)域硬度測(cè)試結(jié)果取平均值如表2所示。由硬度測(cè)試結(jié)果可以看出，異常亮線(xiàn)A層硬度值明顯高于B層及基體區(qū)域硬度值；異常亮線(xiàn)B層硬度值與基體區(qū)域硬度值相當(dāng)。

圖6 異常亮線(xiàn)和基體硬度測(cè)試位置

4 分析與討論

TC4鈦合金作為典型的α+β兩相合金，含有6%的A與4%的V，V作為β穩(wěn)定元素，其含量的多少會(huì)影響合金中β相的含量。

當(dāng)V元素含量減少時(shí)，合金中的β相會(huì)減少，成為貧β區(qū)，成α單相區(qū)。這就是β區(qū)β相含量較少，A區(qū)屬于α單相區(qū)的原因。

合金元素的種類(lèi)與含量也會(huì)影響到顯微硬度的變化，對(duì)于A區(qū)，B區(qū)中Al、V的含量都少于基體組織，但O元素的含量較大。

O元素作為間隙元素，會(huì)使鈦合金具有較大的強(qiáng)化作用。正是由于O元素的含量比基體高，導(dǎo)致A區(qū)、B區(qū)的間隙元素增多，表現(xiàn)為顯微硬度的提高。

零件表面硬度的不同，在經(jīng)歷拋光加工時(shí)，硬度較高的地方亮度較大，硬度較大的地方顏色較暗。

由此，出現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)中TC4合金零件表面的亮線(xiàn)問(wèn)題。一般地講，對(duì)于鈦合金材料，出現(xiàn)局部亮線(xiàn)、亮條、亮斑等異常現(xiàn)象時(shí)，就可能存在表面硬度的不同，以及局部的合金成份有所差異。

根據(jù)GB/T 3620.1-2007（鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分）[1]，TC4合金牌號(hào)Al元素含量范圍要求為5.5%～6.75%，V元素含量范圍要求為3.5%～4.5%。

結(jié)合異常亮線(xiàn)區(qū)域能譜分析的結(jié)果可以看出，異常亮線(xiàn)區(qū)域A層沒(méi)有V元素，僅含有Ti和Al元素，且Al元素含量?jī)H有0.84%，合金元素明顯不滿(mǎn)足合金牌號(hào)的要求。

V元素是穩(wěn)定β相元素，V元素含量增加，合金相變溫度降低，在相同的工藝條件下，合金初生α相含量較少。異常亮線(xiàn)區(qū)域B層Al、V等主元素含量雖然滿(mǎn)足TC4合金牌號(hào)合金成分的要求，但與基體相比，V元素含量較低，因此導(dǎo)致在相同加工條件下異常亮線(xiàn)區(qū)域B層α相含量較多。與基體相比，異常亮線(xiàn)區(qū)域元素含量的差異導(dǎo)致微觀(guān)組織與基體區(qū)域不同，表現(xiàn)在宏觀(guān)上呈現(xiàn)明顯區(qū)別于基體的亮線(xiàn)區(qū)域。

5 結(jié)論

（1）綜合金相組織、能譜及硬度分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，TC4合金零件表面異常亮線(xiàn)產(chǎn)生的原因是由于Al元素缺少、V元素含量的缺失和偏析導(dǎo)致亮線(xiàn)區(qū)域微觀(guān)組織與基體區(qū)域存在明顯不同造成的，宏觀(guān)表現(xiàn)為異常亮線(xiàn)。

表2 各特征區(qū)域硬度分析結(jié)果

（2）該偏析缺陷的成因主要與鈦合金的熔煉工藝有關(guān)，偏析缺陷在鑄錠生產(chǎn)中就已形成。目前我國(guó)鈦合金生產(chǎn)廠(chǎng)家普遍采用2次真空熔煉自耗電弧爐熔煉法，電極制備過(guò)程中操作不當(dāng)易引發(fā)金屬污染或形成難熔的氧化物和氮化物，而電流、電壓選擇不當(dāng)會(huì)引發(fā)熔煉過(guò)程中熔區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱平衡，還會(huì)引起熔池深度的變化，從而導(dǎo)致海綿鈦粒度不均勻、中間合金混料分布不均勻，這都會(huì)引起材料局部區(qū)域合金元素的富集與貧乏，導(dǎo)致該區(qū)域的相變點(diǎn)偏離，而在后續(xù)的熱加工過(guò)程中，就逐漸演變?yōu)楫惓＝M織，形成偏析缺陷。

（3）建議鑄錠熔煉前，對(duì)原料海綿鈦進(jìn)行篩選，保證原料的質(zhì)量，調(diào)整熔煉工藝，有條件的增加熔煉次數(shù)。