摘 要:對鈦合金零部件在日常生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷進行分類和總結(jié),選取其中的典型缺陷 案例進行宏觀觀察、金相檢驗、顯微硬度測試、掃描電鏡及能譜分析和電子探針顯微分析。結(jié)果表 明:鈦合金零部件常見的缺陷有清晰晶、應(yīng)變線、偏析、過熱過燒及α層等。對不同缺陷的產(chǎn)生原因 進行分析,為相關(guān)人員在鈦合金的檢驗檢測過程中對缺陷性質(zhì)的判定提供了參考。 

關(guān)鍵詞:鈦合金;清晰晶;應(yīng)變線;偏析;過熱過燒;α層 

中圖分類號:TG131                                        文獻標志碼:A                                 文章編號:1001-4012(2022)09-0014-06 

鈦合金具有高的比強度和良好的耐腐蝕性能, 在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)已成為航空 發(fā)動機中的主要結(jié)構(gòu)材料之一。鈦合金的質(zhì)量輕, 故隨著航空發(fā)動機推重比的提高,鈦合金的使用量 也在不斷增大[1-3]。對于大多數(shù)近α和(α+β)兩相 鈦合金而言,為了獲得較好的塑性,通常采用的都是 常規(guī)的兩相區(qū)鍛造,而對于一些需要獲得較高斷裂 韌性的零件,通常采用β鍛或準β鍛的方法[4-5]。但 在日常生產(chǎn)過程中,不正確的鍛造工藝往往會使鈦 合金及其制品出現(xiàn)缺陷,鈦合金常見的鍛造缺陷有 組織過熱及不均、孔洞、裂紋等,這些缺陷將大大降 低鈦合金鍛件的力學性能,進而給產(chǎn)品的使用帶來 潛在危險[6-7],因此,需要加強對鈦合金的生產(chǎn)過程 中的檢驗。在鈦合金鍛件的常規(guī)低倍檢驗以及金相 檢驗過程中,經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一些超標或標準未明確規(guī) 定的目視缺陷,如某 TC2 環(huán)形自由鍛件按照 GJB 2744—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》檢查其 腐蝕后的表面低倍形貌,標準中沒有對半清晰晶的 允許情況進行說明,需要檢測部門進行缺陷性質(zhì)的 判定,以便質(zhì)檢部門對產(chǎn)品作出合格與否的結(jié)論。 筆者歸納總結(jié)了鈦合金零部件在日常生產(chǎn)過程中發(fā) 現(xiàn)缺陷的類型,并對不同缺陷進行了相應(yīng)的金相檢 驗,以供相關(guān)人員在日常檢驗檢測過程中參考。

1 典型案例分析

1.1 TC1環(huán)形鍛件的粗晶 

TC1鈦合金經(jīng)過下料150mm(直徑)→兩相區(qū) 加熱→自由鍛→退火,最終抽檢1件產(chǎn)品,對其進行 常規(guī)低倍檢驗,發(fā)現(xiàn)存在粗晶。

按照 GB/T5168—2008 《α-β鈦合金高低倍組 織檢驗 方 法》,用 20% (體 積 分 數(shù),下 同)硝 酸 + 12%氫氟酸 水 溶 液 對 鍛 件 的 低 倍 試 樣 進 行 侵 蝕,然后觀察試樣的顯微組織形貌,結(jié)果如圖1所示。 由圖1可知,試樣有明顯的清晰晶缺陷,原始β晶 界上存在連 續(xù) 且 平 直 的 晶 界 α相,其 形 成 原 因 是 該批原材料β相變點測試值偏高,鍛造加熱爐局部 超溫,導致了 TC1鈦合金鍛造溫度過高,從而產(chǎn)生 了清晰晶。 

1.2 TC2卡箍和整流葉片的鍛造應(yīng)變線

TC2卡箍和整流葉片經(jīng)機加后進行金相檢驗, 發(fā)現(xiàn)在零件表面存在周向和縱向的亮條缺陷顯示, 其宏觀形貌如圖2所示。

從 TC2卡箍和整流葉片分別取樣,并對其進行 金相檢驗,結(jié)果如圖 3,4 所示。由圖 3 可知,TC2 卡 箍亮條缺陷處的顯微組織存在明顯的方向性,放 圖1 TC1環(huán)形鍛件顯微組織形貌 大后觀察,可見其組織較細密。由圖 4 可知,TC2 整流葉片亮條缺陷處的顯微組織同樣存在明顯的方 向性,α和β相均呈拉長形貌,整流葉片周圍正常區(qū) 域的顯微組織為等軸組織。 

分別對 TC2卡箍和整流葉片進行顯微硬度測 試和能譜分析,結(jié)果如表1所示,可見 TC2卡箍和 整流葉片亮條缺陷處與周圍正常區(qū)域的顯微硬度測 試結(jié)果和能譜分析結(jié)果沒有明顯差異,因此可以判 定 TC2卡箍和整流葉片的亮條缺陷均為鍛造過程 中產(chǎn)生的應(yīng)變線。

1.3 TC2導向葉片表面的富鈦偏析 

TC2低壓進氣導向葉片經(jīng)機加工后進行金相 檢驗,發(fā)現(xiàn)在零件表面存在縱向的亮條缺陷,其宏 觀形貌如圖5所示,可見缺陷處組織較粗大,無機 械變形特征,缺陷區(qū)域的長度約為35mm,寬度約 為5mm。

從 TC2低壓進氣導向葉片截取試樣,沿葉片橫 截面制樣,然后對其進行金相檢驗,結(jié)果如圖6所 示。由圖6可知,缺陷處的組織與正常區(qū)域的組織 存在明顯差異,缺陷處的組織深度為0.3mm,為粗 大的α晶粒組成的貧β相區(qū)。 

分別對 TC2低壓進氣導向葉片亮條缺陷處和 周圍正常區(qū)域進行顯微硬度測試,結(jié)果顯示缺陷處 顯 微 硬 度 為 245 HV,正 常 區(qū) 域 顯 微 硬 度 為 274HV,缺陷處顯微硬度略低于周圍正常區(qū)域。 

采用電子探針對 TC2低壓進氣導向葉片亮條 缺陷處和周圍正常區(qū)域進行成分分析,發(fā)現(xiàn)缺陷處 鈦元 素 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 94.50%,鋁 元 素 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 4.67%,而 周 圍 正 常 區(qū) 域 的 鈦 元 素 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 91.66%,鋁元素質(zhì)量分數(shù)為4.83%,判斷亮條缺陷 屬于富鈦偏析。這種缺陷的形成與原材料的冶煉過 程有關(guān),在合金熔煉時,合金元素擴散不充分,局部 形成富集或貧化,導致元素偏析。改進原材料的冶 煉工藝可以避免產(chǎn)生這種偏析缺陷。

1.4 TC6鍛造葉片的β斑 

TC6鍛造葉片經(jīng)機械加工后進行金相檢驗,發(fā) 現(xiàn)零件表面存在暗條缺陷,其宏觀及顯微組織形貌 如圖7所示,可見暗條缺陷處初生α相含量明顯低 于周圍正常區(qū)域。

對 TC6鍛造葉片進行顯微硬度測試,發(fā)現(xiàn)暗條 缺陷處顯微硬度為289HV,周圍正常區(qū)域顯微硬 度為311HV,暗條缺陷處顯微硬度略低于周圍正 常區(qū)域。

采用電子探針對 TC6鍛造葉片暗條缺陷處和 周圍正常區(qū)域進行成分分析,發(fā)現(xiàn)缺陷處鉬元素質(zhì) 量分數(shù)為4.12%,周圍正常區(qū)域鉬元素質(zhì)量分數(shù)為 2.78%,缺陷處鉬元素質(zhì)量分數(shù)明顯高于周圍正常 區(qū)域。當β相穩(wěn)定元素釩、鉬等發(fā)生偏析后,降低了 偏析區(qū)域的相變溫度,合金在加熱時易優(yōu)先發(fā)生 α 相向β相轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生暗條缺陷,即所謂的β斑。這種 缺陷的形成同樣與原材料冶煉過程有關(guān),可以采用 改進原材料冶煉工藝的方法來避免產(chǎn)生這種偏析 缺陷。

1.5 TC6葉片釬焊和拋光后的燒傷 

某批次 TC6葉片在阻尼臺上釬焊耐磨硬質(zhì)合 金塊后,發(fā)現(xiàn)阻尼臺附近的葉身表面出現(xiàn)了“白斑” 形貌(見圖8)。對“白斑”區(qū)域及周圍正常區(qū)域進行 金相檢驗,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:在顯微鏡 下無論如何調(diào)焦,“白斑”區(qū)域的組織均模糊不清;周 圍正常區(qū)域的顯微組織為雙態(tài)組織。 

對釬焊后的 TC6葉片進行顯微硬度測試,發(fā)現(xiàn) “白斑”區(qū)域的顯微硬度為363 HV,周圍正常區(qū)域 的 顯微硬度為318HV,“白斑”區(qū)域的顯微硬度明 顯高于周圍正常區(qū)域,表明“白斑”缺陷是因焊接燒 傷而形成的。

某批次 TC6葉片在拋光后發(fā)現(xiàn)“白斑”形貌(見 圖10)。對“白斑”區(qū)域和周圍正常區(qū)域進行金相檢 驗,結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,“白斑”區(qū)域和 周圍正常區(qū)域均為等軸組織。

對拋光后的 TC6葉片進行顯微硬度測試,發(fā)現(xiàn) “白斑”區(qū)域的顯微硬度為313 HV,周圍正常區(qū)域 的顯微硬度為347HV,“白斑”區(qū)域的顯微硬度低 于周圍正常區(qū)域。鈦合金導熱性差,故鈦合金葉片 在拋光時,如果操作不當,很容易造成零件表面產(chǎn)生 的熱量不能及時傳導,使零件小范圍內(nèi)溫度升高而 形成拋光燒傷,較輕微的僅有表面燒傷,嚴重時會形 成穿透性燒傷。 

1.6 TC6葉片表面α層導致加工時發(fā)生斷裂

α層是富集氧、氮、碳元素的穩(wěn)定表面層,是一 種硬脆相,一般認為其是有害相。 

某批次 TC6鈦合金葉片在銑榫頭裝夾過程中, 多件葉片發(fā)生斷裂,葉片斷裂處剛好位于夾具和葉 片的接觸點。葉片斷口的宏觀及微觀形貌如圖12 所示,可見葉片斷裂起源于葉背的裝夾接觸點,斷口 源區(qū)未見冶金缺陷,呈沿晶脆斷特征。

從葉片斷口截面處取樣進行金相檢驗,可見葉背 表面有多處微裂紋,裂紋內(nèi)部未見氧化特征[見圖 13a)],葉背近表面可見α層,微裂紋均在α層之內(nèi)[見 圖13b)]。葉片在裝夾過程中夾具與葉片的接觸點容 易產(chǎn)生應(yīng)力集中,又因α層具有硬而脆的特性,故在應(yīng) 力作用下容易萌生微裂紋,最終導致葉片斷裂。

2 綜合分析

2.1 常見缺陷的分類與特點 

鈦合金常見缺陷主要有3大類,包括冶金缺陷、 工藝缺陷和表面缺陷。 

冶金缺陷一般包括金屬夾雜、非金屬夾雜、化學 成分偏析和孔洞等[8],這類缺陷在發(fā)生位置上一般 是局部的,且形態(tài)不一,可能是塊狀、點狀、線狀或條 狀;工藝缺陷產(chǎn)生的范圍則相對較廣,在鍛造、鑄造、 焊接、熱處理、電加工、機械加工中都有可能產(chǎn)生,其 形態(tài)也各 不 相 同,需 要 在 日 常 檢 驗 過 程 中 多 加 鑒 別[9] ;表面缺陷主要是因鈦合金化學活性較高,容易 與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的,其中危害最大 的是氧、氮、氫等氣體的污染,這類氣體污染都會導 致鈦合金的硬度增加,在實際生產(chǎn)過程中也經(jīng)常出 現(xiàn)表面缺陷,比如刮碰、操作失誤等造成的鈦合金零 件表面凹陷、裂紋、尺寸超差等[10],這類表面缺陷基 本都伴隨著宏觀塑性變形,且缺陷表面都能看到明 顯的金屬光澤。

2.2 常見鍛造缺陷及其鑒別

鈦合金的鍛造缺陷主要有折疊、裂紋、變形不均 勻等[6-7]。一般情況下,鍛造形成的折疊或裂紋內(nèi)部 有氧化物夾雜,特點是裂紋兩側(cè)呈現(xiàn)白亮帶,組織為 富氧的α層,β層則相對較少。變形不均勻的產(chǎn)生 原因為:鈦合金存在著嚴重的黏?，F(xiàn)象,尤其是當模 具表面粗糙度大或潤滑不良時,都會阻礙金屬流動,造成鍛件表面與內(nèi)部變形的不均勻;鈦合金導熱性 差,鍛件內(nèi)部溫度不均勻,高溫區(qū)易變形,低溫區(qū)難 變形,導致了變形的不均勻。變形不均勻會導致鍛 件的晶粒度不同,變形量大的部位晶粒細小,反之晶 粒較大,變形不均勻還會導致鍛件的初生α相含量 有所差別,高溫區(qū)初生α相較低溫區(qū)要少一些。

對于圓餅形模鍛件,當其變形量較大時,鍛件的 軸徑向剖面經(jīng)低倍腐蝕后可見 X 型應(yīng)變線,可將其 分為劇烈變形區(qū)、一般變形區(qū)和變形死區(qū),對應(yīng)的顯 微組織和性能亦有差別;而對于較薄的模鍛件,如葉 片類零件,這種應(yīng)變線會暴露在表面,腐蝕后可見沿 縱向的亮條或暗條,這是經(jīng)劇烈變形細化后組織的 特征。一般來說,這種輕微應(yīng)變線所形成的亮條或 暗條對零件的使用性能影響不大,不作為組織缺陷 處理,但在對其進行判斷時,要注意與成分和組織偏 析所形成的亮條缺陷區(qū)分開來,避免誤判。 

3 結(jié)語與建議 

從上述案例分析結(jié)果可知,在實際制造過程中, 鈦合金在金相檢驗中的常見缺陷主要有清晰晶、應(yīng) 變線、偏析(富鈦、β斑)、α層以及焊接、磨削和拋光 等產(chǎn)生的過熱過燒等,這些缺陷有因熱加工過程操 作不當而導致的,也有原材料遺留下來的,還有加工 制造過程中因參數(shù)選擇不當而產(chǎn)生的。 

原材料缺陷可以由加強冶煉工藝控制來從源頭上避免,而制造過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷則需要考慮工藝 是否安排恰當,或者工藝參數(shù)是否合理,從這些方面 的改進來避免缺陷的發(fā)生。

參考文獻: 

[1] 鄧炬.鈦與航空[J].鈦工業(yè)進展,2004,21(2):6-15. 

[2] 北京航空材料研究院.航空材料技術(shù)[M].北京:航空 工業(yè)出版社,2013. 

[3] 劉麗玉,張銀東,高翔宇,等.TC17鈦合金壓氣機鼓筒 篦齒裂 紋 分 析 研 究 [J].失 效 分 析 與 預 防,2019,14 (5):315-320. 

[4] 肖珺.鈦合金鍛造工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].化學工程與 裝備,2010(3):130-131. 

[5] 毛彭齡.鈦合金的斷裂韌性[J].上海鋼研,1994(3): 51-54. 

[6] 劉興旺.鈦合金常見鍛造缺陷及預防策略[J].黑龍江 科技信息,2016(3):28. 

[7] 張利軍,郭凱,張晨輝,等.鈦合金常見鍛造缺陷及預 防[J].金屬加工(熱加工),2014(11):80-82. 

[8] 張利軍,何春艷,薛祥義,等.鈦合金冶金缺陷實例分 析[J].理化檢驗(物理分冊),2013,49(12):819-822. 

[9] 趙宇,吉日嘎蘭圖,陳莉.TC4鈦合金的 TIG 焊接工 藝及缺陷分析[J].焊接,2005(12):55-58. 

[10] 于新年,孫福權(quán),劉新宇,等.鈦合金表面缺陷的激光 熔覆修復研究[J].航空制造技術(shù),2011,54(16):116- 118. 

<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 9期 (pp:14-19)>