TC4鈦合金零件表面異常亮線缺陷分析

侯 睿，楊曉康，毛江虹

（西安賽特金屬材料開發有限公司，陜西 西安 710299）

鈦合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優點。廣泛航空、航天、化工、醫療、造船等工業。由于鈦及其合金的優異抗蝕性能，良好的力學性能，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。廣泛應用于民用領域。開發出的鈦合金產品幾乎滲透到，現代生活衣食住行各個方面。在生產中我們發現，鈦合金產品表面質量常見缺陷有過腐蝕、掛灰、氧化皮未除盡、亮線及條紋狀花斑幾種。

1 零件表面出現的問題

TC4鈦合金零件經過氮化處理后，在零件表面發現存在明顯的亮線區域。通過對零部件的各部位的觀察，發現亮線在零部件長度方向連續分布，在零部件的厚度方向貫穿分布。取亮線區域表面進行宏觀形貌分析，其宏觀形貌如圖1所示。

由圖中可以看出，亮線區域呈現明顯的兩層特征：一層(標記為A)較明顯，亮線較窄；另一層(標記為B)較淺，亮線較寬。

為了弄清楚亮線產生的原因，對亮線區域取樣進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域硬度分析。

圖1 零部件亮線位置及宏觀形貌

2 試驗方法

對TC4鈦合金零件在OLYMPUSPMG3倒置式金相顯微鏡對亮線部位進行金相顯微組織分析；采用450SVD型數顯維氏硬度計對正常區域和亮線部位進行測試；采用JSM6460型掃描電鏡對正常區域和亮線部位進行能譜分析。

3 試驗結果

3.1 顯微組織形貌分析

亮線區域、基體區域表面微觀組織形貌分別如圖2、圖3所示；亮線區域、基體區域截面微觀組織形貌分別如圖4、圖5所示。

由圖可以看出，亮線區域相比較基體區域具有明顯不同的特征：基體區域呈現雙態的α+β組織(見圖3、圖5)；而在亮線區域的A層，呈現單相組織形態，部分區域具有等軸晶粒的組織特征(見圖2、圖4)；在亮線區域的B層，雖呈現雙態的α+β組織形態，但α相含量略多且尺寸較大。同時，對亮線的寬度進行了測量，亮線A層寬度約為71.8um～133.3um，亮線B層寬度約為359.1um～381.3um。

圖2 亮線區域表面微觀組織形貌

圖3 基體區域表面微觀組織形貌

3.2 各特征區域能譜分析

對亮線區域各層及基體進行能譜分析，在每個特征區域取3處進行能譜面掃描，之后計算出各區域能譜分析結果的平均值，如表1所示。由表中可以看出，在異常亮線A層區域無V元素，主要含有Al和Ti兩種元素，且Al元素含量僅有0.84%，O元素含量為0.42%；異常亮線B層主要含有Al、V、Ti元素，與基體元素含量相比，異常亮線B層的Al元素含量與基體Al元素含量相當，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 亮線區域截面微觀組織形貌

圖5 基體區域截面微觀組織形貌

表1 各特征區域能譜分析結果

3.3 各特征區域硬度分析

對異常亮線及基體區域進行顯微維氏硬度分析，選取載荷200g，加載時間30s，硬度分析的位置如圖6所示，異常亮線A層取3點(標記為1)進行硬度測試；沿亮線寬度方向向基體依次進行8點(標記為2～9)硬度測試，硬度點2～5的位置處于異常亮線B層區域，硬度點6～9的位置處于基體區域；各區域硬度測試結果取平均值如表2所示。由硬度測試結果可以看出，異常亮線A層硬度值明顯高于B層及基體區域硬度值；異常亮線B層硬度值與基體區域硬度值相當。

圖6 異常亮線和基體硬度測試位置

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穩定元素，其含量的多少會影響合金中β相的含量。

當V元素含量減少時，合金中的β相會減少，成為貧β區，成α單相區。這就是β區β相含量較少，A區屬于α單相區的原因。

合金元素的種類與含量也會影響到顯微硬度的變化，對于A區，B區中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，會使鈦合金具有較大的強化作用。正是由于O元素的含量比基體高，導致A區、B區的間隙元素增多，表現為顯微硬度的提高。

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

由此，出現了本實驗中TC4合金零件表面的亮線問題。一般地講，對于鈦合金材料，出現局部亮線、亮條、亮斑等異常現象時，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GB/T 3620.1-2007（鈦及鈦合金牌號和化學成分）[1]，TC4合金牌號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%。

結合異常亮線區域能譜分析的結果可以看出，異常亮線區域A層沒有V元素，僅含有Ti和Al元素，且Al元素含量僅有0.84%，合金元素明顯不滿足合金牌號的要求。

V元素是穩定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。異常亮線區域B層Al、V等主元素含量雖然滿足TC4合金牌號合金成分的要求，但與基體相比，V元素含量較低，因此導致在相同加工條件下異常亮線區域B層α相含量較多。與基體相比，異常亮線區域元素含量的差異導致微觀組織與基體區域不同，表現在宏觀上呈現明顯區別于基體的亮線區域。

5 結論

（1）綜合金相組織、能譜及硬度分析的實驗結果可以看出，TC4合金零件表面異常亮線產生的原因是由于Al元素缺少、V元素含量的缺失和偏析導致亮線區域微觀組織與基體區域存在明顯不同造成的，宏觀表現為異常亮線。

表2 各特征區域硬度分析結果

（2）該偏析缺陷的成因主要與鈦合金的熔煉工藝有關，偏析缺陷在鑄錠生產中就已形成。目前我國鈦合金生產廠家普遍采用2次真空熔煉自耗電弧爐熔煉法，電極制備過程中操作不當易引發金屬污染或形成難熔的氧化物和氮化物，而電流、電壓選擇不當會引發熔煉過程中熔區無法實現熱平衡，還會引起熔池深度的變化，從而導致海綿鈦粒度不均勻、中間合金混料分布不均勻，這都會引起材料局部區域合金元素的富集與貧乏，導致該區域的相變點偏離，而在后續的熱加工過程中，就逐漸演變為異常組織，形成偏析缺陷。

（3）建議鑄錠熔煉前，對原料海綿鈦進行篩選，保證原料的質量，調整熔煉工藝，有條件的增加熔煉次數。