TC18 鈦合金鍛造異常組織分析

文/袁戰(zhàn)軍·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

鍛件的大型化已成為必然趨勢(shì)，從而導(dǎo)致鍛造過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)不均勻問(wèn)題更加突出，加之鍛造多為簡(jiǎn)單的單一方向拉伸或壓縮變形，鍛件不同位置的組織及織構(gòu)差異愈加明顯。TC18 鈦合金名義成分為T(mén)i-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe(wt%)，作為一種典型的近β 型鈦合金，具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的淬透性和塑性等特點(diǎn)，被廣泛用于殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)等艦船構(gòu)件及承力框架、起落架、翼梁等飛機(jī)大型承力構(gòu)件。因該合金β 穩(wěn)定元素含量較多，且采用準(zhǔn)β 鍛工藝成形，鍛造過(guò)程參數(shù)控制較難，在實(shí)際鍛造過(guò)程中很容易出現(xiàn)β 斑、微織構(gòu)等不均勻組織，從而對(duì)鍛件組織性能造成一定影響。本文主要對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的TC18 鈦合金鍛造異常組織進(jìn)行分析討論并確定形成原因，為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)提供一定借鑒作用。

異常區(qū)域顯微組織分析

首先選取TC18 鈦合金鍛件低倍組織異常區(qū)域標(biāo)記并切取樣品，再對(duì)樣品進(jìn)行了顯微組織分析，樣品異常區(qū)域經(jīng)研磨拋光浸蝕后的組織宏觀形貌如圖1 所示。圖中橫向?qū)?yīng)鍛件長(zhǎng)度方向，即原棒材縱向。在樣品異常區(qū)域的上下人工劃出兩條細(xì)黑直線為標(biāo)記，使得異常區(qū)域位于上下兩條標(biāo)記線之間。從圖中可以看出：異常區(qū)域顏色與正常區(qū)域相比主體呈灰色，個(gè)別區(qū)域呈白色，寬度約為2 ～3mm。

圖2 為異常區(qū)域與正常區(qū)域的顯微組織?？梢钥吹剑寒惓^(qū)域和正常區(qū)域均為α 針按一定位向編織且分布在轉(zhuǎn)變?chǔ)?基體上的網(wǎng)籃狀組織，α 針同樣細(xì)小致密，為典型的準(zhǔn)β 鍛造組織，具有良好的強(qiáng)韌匹配性能；兩個(gè)區(qū)域界面為不連續(xù)分布在原始β 晶界上的α 相，在低倍觀察時(shí)可看到正常區(qū)域的針狀α 相數(shù)量比異常區(qū)域略多，但高倍觀察下無(wú)任何區(qū)別。綜上，異常區(qū)域與正常區(qū)域相比，針狀或短棒狀α 相數(shù)量略少，組織形態(tài)與正常區(qū)域相同。

圖2 異常區(qū)域與正常區(qū)域的顯微組織形貌對(duì)比

電子背散射衍射分析

通過(guò)電子背散射衍射分析技術(shù)(EBSD)對(duì)異常區(qū)域和正常區(qū)域的晶粒取向、相分布等信息進(jìn)行了分析。

圖3 為50 倍放大倍率下的異常區(qū)域和正常區(qū)域的晶粒取向分布圖和β 相反極圖分布圖，圖中上部為正常區(qū)域，下部為異常區(qū)域。在晶粒取向圖中不同取向的晶粒使用不同的顏色來(lái)表示，可以看到異常區(qū)域和正常區(qū)域不存在明顯的界面，并且無(wú)序的顏色分布表明無(wú)論是異常區(qū)域還是正常區(qū)域，其α 和β 相均不存在明顯的取向，也不存在同一位向的原始β晶粒簇。此外，從中也可以看出原始β 晶粒簇的尺寸也是相近的。β 相反極圖分布圖則為一種將空間中的晶粒取向進(jìn)行簡(jiǎn)化的織構(gòu)表示方法，將復(fù)雜的織構(gòu)取向分為三個(gè)方向來(lái)表示。從圖3 中的β 相反極圖分布圖(β 相X 方向投影)可以看到，異常區(qū)域的晶粒X 方向大多以一個(gè)方向?yàn)橹?紅色區(qū)域)，但這并不代表該處為一個(gè)大的原始β 晶粒簇，只能證明該處β 相的X 向大多朝向一個(gè)方向。

圖3 異常區(qū)域和正常區(qū)域的α 和β 晶粒取向分布圖 (50×)

圖4 為200 倍放大倍率下的異常區(qū)域晶粒取向分布圖和β 相反極圖分布圖，圖5 為50 倍放大倍率下的正常區(qū)域晶粒取向分布圖和β 相反極圖分布圖。從晶粒取向分布圖中可以看到異常區(qū)域和正常區(qū)域的α 針都很均勻細(xì)小，分布密度相同；從β 相反極圖分布圖可以看到異常區(qū)域中的β 相反極圖分布與圖3 一致，而正常區(qū)域的β 相反極圖分布則具有2 ～3個(gè)明顯的方向。

圖4 異常區(qū)域的α 和β 晶粒取向分布圖(200×)

圖5 正常區(qū)域的α 和β 晶粒取向分布圖(50×)

綜上所述，可從EBSD 實(shí)驗(yàn)判斷出異常區(qū)域和正常區(qū)域中的α 針?lè)植济芏认嘟?，原始?晶粒尺寸相近，原始β 晶粒均沒(méi)有明顯的晶粒位向，但條狀異常區(qū)域內(nèi)部的晶粒的X 方向大多指向同一方向，表明該處區(qū)域存在弱織構(gòu)。

異常區(qū)域微區(qū)成分分析

首先使用掃描電鏡對(duì)異常區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行了能譜分析，分別在左上異常區(qū)域和右下正常區(qū)域選取了7 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行成分分析，加速電壓為15kV，定量分析進(jìn)行歸一化修正處理，由于α 和β 穩(wěn)定元素在α 和β 相中的溶解度不同，部分點(diǎn)成分超出標(biāo)準(zhǔn)是因?yàn)辄c(diǎn)的位置可能恰好位于較多α相或較多β相中，并不代表棒材成分不合格，結(jié)果如圖6 所示。從平均值中可以看出兩個(gè)區(qū)域的成分無(wú)明顯差別，主元素成分含量差異均在±3%以內(nèi)。

圖6 異常區(qū)域和正常區(qū)域的掃描電鏡能譜成分點(diǎn)分析

為了驗(yàn)證異常區(qū)域與正常區(qū)域之間是否存在成分差異，選擇使用電子探針和波譜方法進(jìn)行成分分析，其對(duì)成分分析的準(zhǔn)確度顯著高于掃描電鏡配備的能譜儀。

圖7 為異常區(qū)域和正常區(qū)域的電子探針面掃描分析各元素結(jié)果，其中上部為異常區(qū)域，下部為正常區(qū)域，加速電壓為15kV，束流為20nA。從結(jié)果中可以看到，TC18 鈦合金中主要的β 穩(wěn)定元素V、Mo、Cr和Fe 元素以及α 穩(wěn)定元素Al 和O 在異常區(qū)域和正常區(qū)域分布較為均勻。由于Al 和β 穩(wěn)定元素在α相和β 相中的溶解度不同，因此特別是在兩者界面上的長(zhǎng)條α 相中含量會(huì)有差別，這屬于正?，F(xiàn)象。

圖7 異常區(qū)域和正常區(qū)域的電子探針面掃描分析

通過(guò)能譜和電子探針的分析可以確定，在異常區(qū)域和正常區(qū)域之間并不存在明顯的成分不均勻分布現(xiàn)象。

分析與討論

異常區(qū)域形貌成因分析

通過(guò)異常區(qū)域位置、尺寸和形貌觀察可以發(fā)現(xiàn)該異常區(qū)域具有一定的長(zhǎng)度，并沿棒材原縱截面方向呈條狀分布，考慮到后續(xù)棒料鍛造的變形量及變形方向等因素，可以推斷該異常區(qū)域產(chǎn)生于棒料鍛造之前，并在鍛造過(guò)程中沿材料延伸方向伸長(zhǎng)。

異常區(qū)域類(lèi)型定義

從形態(tài)上來(lái)看，異常區(qū)域形貌呈條狀；從組織上來(lái)看，異常區(qū)域內(nèi)顯微組織由細(xì)小均勻的α 針及轉(zhuǎn)變?chǔ)?基體組成，并與正常區(qū)域無(wú)顯著區(qū)別；從晶粒尺寸上來(lái)看，正常區(qū)域內(nèi)α 針寬度略高于異常區(qū)域，原始β 晶粒尺寸則與正常區(qū)域無(wú)明顯差別。此外，在光學(xué)顯微鏡觀察狀態(tài)和二次電子像觀察狀態(tài)下，異常區(qū)域與正常區(qū)域組織均難以區(qū)分，這也表明異常區(qū)域在形貌上與正常區(qū)域差別較小。

能譜分析結(jié)果的平均值和電子探針的面分布分析結(jié)果表明，異常區(qū)域和正常區(qū)域中的主要β 穩(wěn)定元素V、Mo、Cr 和Fe 元素以及α 穩(wěn)定元素Al 和O 無(wú)顯著差別，這證明該條狀異常區(qū)域非冶金類(lèi)型缺陷。

EBSD 分析實(shí)驗(yàn)表明異常區(qū)域和正常區(qū)域不存在明顯界面，其內(nèi)部α 晶粒均不存在明顯的取向分布。但是從β 相反極圖分布圖中可以看到異常區(qū)域原始β 晶粒簇內(nèi)部的β 基體的X 向大多朝向同一個(gè)方向，但這不代表該處為一個(gè)大的原始β 晶粒簇。而正因?yàn)槠鋬?nèi)部β 基體的X 向朝向同一個(gè)方向，在后續(xù)的低倍檢驗(yàn)中經(jīng)酸蝕后，其異常區(qū)域?qū)梢?jiàn)光的反射具有一定的規(guī)律性，肉眼觀察呈條狀分布。

綜上所述，該異常區(qū)域組織類(lèi)型應(yīng)為具有特定取向分布的弱織構(gòu)條狀異常組織。

異常區(qū)域成因分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，可以判定異常區(qū)域與正常區(qū)域的組織類(lèi)型、α 針尺寸、原始β 晶粒簇尺寸、微區(qū)成分均無(wú)顯著區(qū)別。首先微區(qū)成分分析結(jié)果證明異常區(qū)域與周?chē)鷧^(qū)域相比各元素成分分布均無(wú)明顯差別，可以排除真空自耗熔煉過(guò)程中引起的冶金類(lèi)型缺陷；其次異常區(qū)域的原始β 晶粒簇的尺寸與周?chē)鷧^(qū)域相比無(wú)明顯差別，證明該區(qū)域在單相區(qū)鍛造時(shí)原始β 晶粒已經(jīng)經(jīng)過(guò)較為充分的破碎，可以排除開(kāi)坯鍛造造成不均勻性的可能性；再次，異常區(qū)域的組織類(lèi)型和α 針尺寸與正常區(qū)域相比無(wú)明顯異常，同時(shí)根據(jù)鍛造原始記錄查詢，可以證明鍛造過(guò)程中坯料加熱溫度無(wú)異常，可以排除中間坯鍛造加熱溫度過(guò)高以及坯料局部過(guò)熱的可能性。但是異常區(qū)域與正常區(qū)域的主要異常點(diǎn)在于原始β 晶粒簇在X 方向的取向分布，多個(gè)在X 方向保持一致的原始β 晶粒簇在低倍浸蝕后表現(xiàn)出了這種異常區(qū)域形態(tài)，這種取向表明在該處形成了一定程度的織構(gòu)，由于原始β 晶粒簇尺寸和α 針尺寸無(wú)異常，證明異常區(qū)域應(yīng)變是充足的。根據(jù)以上分析判斷該異常區(qū)域應(yīng)是在鍛造過(guò)程中經(jīng)歷了比正常區(qū)域更高的應(yīng)變，使一些原始β 晶粒簇在垂直于變形方向上形成了相近的取向，這與EBSD 分析結(jié)果中原始β 基體在X 方向具有一定織構(gòu)相吻合。此外，這種織構(gòu)在單相區(qū)進(jìn)行鍛造時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)+靜態(tài)再結(jié)晶的方式可以得到很好的消除，因此這種異常區(qū)域組織形成于兩相區(qū)鍛造過(guò)程，并在后續(xù)鍛造過(guò)程中沿材料延伸方向伸長(zhǎng)。

前述推斷出異常區(qū)域處應(yīng)經(jīng)歷了局部大應(yīng)變或較高的應(yīng)變速率，而低倍異常區(qū)域不僅發(fā)生在坯料近中部位置，還發(fā)生在邊部，證明邊部也經(jīng)歷局部大應(yīng)變或較高的應(yīng)變速率，而正常情況下邊部產(chǎn)生的應(yīng)變是相對(duì)較小的。結(jié)合鍛造實(shí)際情況，該坯料在中間坯鐓粗鍛造過(guò)程中應(yīng)出現(xiàn)了邊部彎曲，導(dǎo)致邊部和近中部位置局部應(yīng)變和應(yīng)變速率過(guò)高，從而產(chǎn)生了這種異常區(qū)域組織。為了找出這種鐓粗彎曲出現(xiàn)的原因，設(shè)計(jì)了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)置坯料尺寸約為450mm×450mm×1000mm，這是TC18 鈦合金中間坯鍛造坯料尺寸，但在上下兩端各做了偏置凸起，如圖8 所示，這種凸起在鍛造過(guò)程中偶發(fā)出現(xiàn)，是在上一火次鍛造后段拔長(zhǎng)過(guò)程中在兩端形成的。設(shè)置變形量為45%，即從1000mm 壓至550mm，鐓粗速率為40mm/s。可以看到在鐓粗過(guò)程結(jié)束后，坯料發(fā)生了向一側(cè)彎曲的現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)變主要集中在坯料內(nèi)側(cè)彎曲部位，應(yīng)變?cè)?.8 至1.2 之間，正常區(qū)域應(yīng)變約為0.3 ～0.5，這意味著內(nèi)側(cè)彎曲部位的應(yīng)變大約為正常區(qū)域的2 倍，從應(yīng)變分布和應(yīng)變速率分布來(lái)看均有相似的分布規(guī)律。

圖8 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，異常區(qū)域成因?yàn)閮上鄥^(qū)鍛造過(guò)程中由于上一火次拔長(zhǎng)后坯料兩端同側(cè)高低不平造成鐓粗后坯料向一側(cè)彎曲，在局部形成高應(yīng)變和高應(yīng)變速率區(qū)，最終在某方向上形成呈取向分布的再結(jié)晶晶粒，該部分晶粒在隨后鍛造過(guò)程中仍然經(jīng)過(guò)了細(xì)化，取向也發(fā)生了一定偏轉(zhuǎn)，但部分取向仍然保留在中間坯成品上，并在徑鍛過(guò)程中沿材料延伸方向伸長(zhǎng)并最終形成了低倍上的條狀異常區(qū)域。

結(jié)論

⑴該低倍條狀異常區(qū)域不是在真空自耗熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的冶金缺陷，而是形成于中間坯鍛造鐓粗過(guò)程中，坯料彎曲形成局部高應(yīng)變，并在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中形成較弱的取向晶粒簇。

⑵取向晶粒簇在后續(xù)鍛造過(guò)程中受到細(xì)化作用，但仍然部分取向保留并遺留在成品中間坯上，并在拔長(zhǎng)過(guò)程中沿材料延伸方向伸長(zhǎng)。

⑶這種原始β 晶粒簇屬于較弱的織構(gòu)，對(duì)一般力學(xué)性能影響較小，對(duì)疲勞等部分性能則可能在一定方向略微提高，一定方向略微降低。