Ti31鈦合金棒材白斑缺陷分析

郭征 李維 何偉

摘 要 某Ti31鈦合金棒料加工產品，在進行低倍檢查時發現存在白斑，經過顯微組織觀察、微區成分分析和顯微硬度測試，確定該批Ti31鈦合金棒材為富鈦偏析。為了消除此類缺陷，建議在Ti31鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦與中間合金粒度的均勻性以及混料時化學成分的均勻性。

關鍵詞 Ti31鈦合金;白斑缺陷;富鈦偏析

引言

Ti31（Ti-3Al-1Zr-1Mo-1Ni）是一種中強度近α型鈦合金，由于其良好的高溫耐腐蝕性、熱穩定性、可焊性與良好的綜合力學性能，Ti31合金已應用于核動力裝置等重要領域[1]。

Ti31合金長期在300℃～400℃的高溫環境中服役，這對材料性能要求非常高。如果服役材料成分不均勻，必然會引起宏觀及顯微組織的異常，而這種異常會使材料在整體上表現為性能不均勻，最終導致局部發生過腐蝕現象，降低使用壽命，是使用安全性的極大隱患。

本文探討了Ti31合金棒材低倍檢查中遇到的白斑情況，并對其進行了分析與判定，旨在為提高生產質量，為檢驗提供借鑒。

1實驗與方法

1.1 實驗材料

筆者在對某Ti31鈦合金棒料進行低倍觀察時發現數個形狀不規則的白斑。如圖1所示，推斷為冶金缺陷。為準確判定缺陷類型，進一步分析缺陷產生的原因，從而為提高產品質量提供幫助，本文對該Ti31鈦合金產品進行了進一步檢測分析。

該棒材原料按標準要求配料，經三次真空自耗電弧爐熔煉，制成鑄錠，取樣分析化學成分，結果如表1所示。該結果符合技術協議要求，說明整批材料的化學成分沒有問題。

然后鈦合金鑄錠在相變點以上開坯，下料后，再經過多次墩拔鍛造，加工成成品前坯料，最后在相變點以下成型，制成成品鈦合金棒材毛坯料，經扒皮，拋光，最后為成品棒材。送檢時，任取一支棒材下料取樣，檢查低倍橫截面。鍛造生產過程均符合要求。

1.2 實驗儀器

用ZEISS Observer.A1m光學金相顯微鏡觀察棒材顯微組織。用JSM-6460鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行微區成分分析。用401MWD顯微硬度計進行顯微硬度測試。

2結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2、圖3可見，Ti31鈦合金白斑區域與正常區域的顯微組織均差異非常大，白斑區域為單相α組織，而正常區域為α+β兩相區加工的組織，所有原始β晶界充分破碎，是典型的雙態組織。根據生產工藝與熱處理來說，正常的顯微組織為α+β兩相區加工的組織，該樣品正常區域的顯微組織是正確的。而白斑區域是單相α組織，發生明顯的α偏聚，這是典型的偏析缺陷。因此，從顯微組織的結果可以認為白斑區域為偏析缺陷，但無法判定偏析的具體類型。

2.2 微區成分分析

用顯微組織檢驗完畢的試樣切取其中包含正常區和缺陷區的一小塊作為掃描電鏡試樣，進行區域標識，采用EDS（掃描電鏡的能譜儀）分別對正常區與缺陷區進行微區成分分析，并用SEM進行組織觀察，檢測區域如圖4所示，結果見表2，SEM觀察照片見圖5。

表2中的正常區域能譜分析結果驗證了整批材料化學成分的檢測結果，整批材料的化學成分是合格的。但是，在白斑缺陷區域Al、Zr、Mo相比于正常區域明顯偏低，Ti元素含量相比于正常區域明顯偏高。由此，我們判斷該Ti31合金棒材的缺陷為富鈦偏析。

2.3 硬度檢測

分別對缺陷區和正常區域進行顯微維氏硬度測試。結果如表3所示。由表3可見，缺陷區的硬度要明顯低于正常區域，這符合由于合金化不足引起的富鈦偏析的特點。

2.4 力學性能

該批Ti31鈦合金棒材的力學性能如表4所示，均符合技術協議要求。

2.5 超聲檢測

除上述方法外，我們還試圖用超聲探傷的方法對缺陷進行分析。但在用超聲波對黑斑缺陷區域和正常區域進行探傷時，超聲波反射信號無差異，因此，用超聲波探傷無法檢測該缺陷。

2.6 討論

這種化學成分偏析在該牌號鑄錠的生產過程中就形成了，與鑄錠的熔煉工藝與過程密切相關。目前生產企業大多采用三次真空熔煉自耗電弧爐熔煉法，而這種熔煉方法生產的鑄錠中的化學成分偏析問題也很常見。這很可能是由于海綿鈦粒度不均勻、中間合金混料過程中的分布不均勻造成的。這會引起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正常溫度，而在后續的熱加工過程中，就逐漸演化為異常組織，形成冶金缺陷[2]。

雖然這類缺陷對使用影響較小，但還是要消除此類缺陷。建議在Ti31鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦粒度的均勻性以及中間合金混料時化學成分的均勻性[3]。

3結束語

（1）經過顯微組織觀察、微區成分分析及掃描電鏡觀察和顯微硬度測試，確定該批Ti31鈦合金棒材為富鈦偏析。

（2）建議在Ti31鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦與中間合金粒度的均勻性以及混料時化學成分的均勻性。

參考文獻

[1] 李維，康聰，侯智敏，等.熱處理對Ti31合金顯微組織與力學性能的影響[J].熱加工工藝，2019，48（16）：169-170，173.

[2] 陳勝川，劉彥昌，陳睿博，等.擠壓溫度對Ti31合金管坯組織和力學性能的影響[J].熱加工工藝，2018，47（7）：145-147.

[3] 何偉，楊軍紅，杜小平，等.TA15鈦合金棒材分析[J].宇航材料工藝，2015，45（2）：85-87.