純鈦板表面缺陷形成機制以及對組織性能的影響

摘要：因退火態冷軋純鈦板表面存在缺陷，故選取其缺陷位置以及正常位置，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、維氏硬度計對其進行分析。研究發現：鈦板缺陷位置與正常位置金相組織無明顯差異，且無明顯氧化層出現；缺陷位置組織中的晶粒取向以lt;0001gt;方向為主，正常位置組織中的晶粒取向分布十分均勻，無明顯的取向集中存在；有多種不同類型的氧化物以及夾雜物存在于缺陷中。經分析得出：主要是在冶金過程中，Fe、Mg、O、C、Si、Al 等元素在冶金與加工過程被帶入所致。測得缺陷位置平均維氏硬度為130.1，正常位置平均維氏硬度為104.7，缺陷位置平均維氏硬度較正常位置的高25.4；缺陷位置內部彌散分布的細小析出相主要為 TiC 及微量的（Fe、Ti）C。

關鍵詞：鈦板；缺陷；微觀組織；維氏硬度

中圖分類號：TG 337.6 文獻標志碼：A

鈦及鈦合金具有十分優異的力學性能，同時具備無磁性、記憶性以及密度小的眾多特性，導致在航天航空、海洋工程、石油工程、生物醫療等領域均有十分廣泛的使用[1-2]。目前，鈦及鈦合金的產品有棒材、環材、絲材以及板材等，其中鈦及鈦合金板材的使用近年來越來越廣，特別是在航天航空領域，鈦合金板材的使用量一直處于快速發展中[3-4]。

目前關于純鈦板的研究較多， 其中王亞光等[5] 研究了TA1 純鈦板拉伸斷裂過程，結果表明：鈦板組織由α 相及晶間β 相組成，并存在一定數量的混晶，其晶粒取向隨機分布；隨著拉伸的進行，組織中孿晶數量增加、α 晶粒尺寸降低，應力增加，最后應力趨于穩定。黃海峰等[6] 對工業TA1 板冷變形過程分析及回彈進行了研究，結果表明：沖壓速率、圓角半徑、模具間隙以及摩擦因數均會對TA1 板的塑性成形工藝造成影響，板材在變形過程中，其回彈值會隨著圓角半徑的增加而變大，摩擦因數會隨著模具間隙的變化出現一定程度波動。吳昊等[7] 研究了純鈦板材軋制過程中的孿生變形行為，結果表明：孿生是鈦材十分重要的變形機制，各類孿晶會使板材的微觀組織以及織構發生變化，同時會對力學性能產生影響。

可以發現，雖然目前對純鈦板進行了較多的研究，但均以理論研究為主，鮮有研究實際工程生產所遇到的工程性問題，而鈦板表面存在缺陷問題是工程生產中十分常見的現象，其會嚴重影響鈦板的成材率。本文對實際生產中所出現的純鈦板表面缺陷進行分析，探究其產生的原因，為純鈦板的工程生產做出相應參考。

1 實驗材料及方法

選取經退火處理后表面存在缺陷的冷軋鈦板作為研究材料。退火制度為650 °C 加熱2 h，隨后進行室溫冷卻。鈦板的制造過程為：選取小顆粒海綿鈦做原料，經真空自耗熔煉爐熔煉2 次制成鑄錠，隨后通過鍛造加工制成板坯，再熱卷軋制、酸洗、冷卷軋制、退火、探傷等工序制成冷軋鈦板。隨后使用水刀以及線切割進行取樣并進行研究分析，分別觀察板材缺陷形貌并進行成分測定以及硬度測試。首先對試樣正常位置以及缺陷位置進行鑲嵌處理，依次使用200#、800#、2000#的水磨砂紙進行粗磨；隨后對試樣進行機械拋光處理，拋光至試樣表面無明顯劃痕并出現亮面；最后進行侵蝕處理，腐蝕劑由氫氟酸和去離子水組成，兩者體積比為1∶20，侵蝕完成后使用去離子水進行清洗并吹干。

使用型號為LEICA 的金相顯微鏡觀察鈦板不同位置的低倍微觀組織形貌；使用Nava 型掃描電子顯微鏡（ scanning electron microscope， SEM）觀察缺陷內部的高倍微觀組織形貌；通過SEM 自帶的探頭對鈦板缺陷位置的元素種類與含量進行能譜（energy dispersive spectrometer，EDS）分析；為進一步深入研究板材的微觀織構與晶體學特征，對板材正常位置以及缺陷位置進行背向散射電子衍射技術（electron back scatter diffraction，EBSD）分析，電子顯微鏡裝配Oxford EBSD 探頭，設置操作電壓為20 kV，EBSD 測試結果使用Channel 5 軟件進行分析，試樣取樣位置為鈦板的軋制方向（定義為RD 方向）；使用Hanemann 維氏硬度計測試板材缺陷與正常位置的顯微硬度，設置測試條件為HV 1（加載力為9.8 N，保載時間為15 s） 。表1 為鈦板正常位置的具體化學成分。

2 實驗結果與分析

2.1 缺陷分析

分別對鈦板正常位置與缺陷位置進行微觀形貌觀察，其具體形貌如圖1 所示。其中圖1（a）為鈦板缺陷位置的宏觀形貌，圖1（b） 為正常位置的低倍形貌，圖1（c）與圖1（d）分別為缺陷位置的低倍和高倍形貌。由圖1（b）可知，正常位置的組織主要是以等軸α 相為主，同時存在十分少量晶間β 相，發現正常位置為完全再結晶晶粒且組織完整，存在少量混晶，未見明顯缺陷。由圖1（c）可知，缺陷隨機分布在基體中，缺陷的體積與形貌各有所異，部分缺陷位于α 晶粒內部，部分缺陷橫穿α 晶粒，說明板材缺陷隨機分布，無明顯規律。由圖1（d）的高倍微觀形貌可知，除缺陷位置以外，正常部位表面正常，未出現細小微裂紋以及氧化現象，在缺陷內部有細小的雜質。

為進一步對缺陷進行分析， 對圖1（ d） 進行ESD 以及缺陷內部面掃描進行分析，具體掃描位置如圖2 所示，部分元素的分析結果如表2 和圖3 所示。由表2 和圖3 可知，有多種不同類型的氧化物及夾雜物存在于缺陷中。其中主要包含的元素有O、Si、Al、Fe、Mg 等。在整個鈦冶金過程中，Fe 元素的來源主要有下幾點：（1）在還原與蒸餾過程中，當器壁出現超溫或局部超溫時，鐵質器壁部分位置會被液態Mg 溶解，這就導致了液態Mg 中存在少量Fe 元素，進入海綿鈦生產過程中后，一定量的Fe 元素會滲透到Ti 中，使得海綿鈦包含的Fe 含量偏高，故導致板材中出現了較多的Fe 元素[8-9]。（2）在海綿鈦加工破碎等過程中，也可能會有少量的鐵屑雜物進入海綿鈦中，導致Fe 含量增加。（3）需要結合鈦板冶煉工藝整個過程進行分析，TiCl4 與液態Mg 在反應過程中，當反應溫度過高時，會產生較多的反應熱釋放，致使海綿鈦容易發生過燒，進而使得一定量的Mg-O 氧化物附著在海綿鈦中[10]。關于O 元素，首先是在Mg 還原過程中，Mg 錠表面形成氧化膜。其次是冶金過程中，設備氣密性不足，導致空氣與原料進行接觸。而C、Si、Al 等除TiCl4 溶液和夾雜在還原劑Mg 中外，在后續的加工生產過程中，粘附的塵土、污染物、機械夾雜等均會被帶入。

2.2 組織表征

圖4 為鈦板正常位置與缺陷位置的晶粒取向分布圖。由圖4 可知，正常位置與缺陷位置中的晶粒均是均勻分布且形貌以等軸狀為主，二者的晶粒組織干凈，未見孿晶組織。在晶粒取向方面，其中不同取向的晶粒使用不同顏色標定，黃色表示該晶粒的lt;0001gt;方向與RD 平行， 綠色表示該晶粒的lt; gt;方向與RD 方向平行，而藍色則表示該晶粒的lt; gt;方向與RD 方向平行。分析發現：缺陷位置組織中的晶粒取向以lt; gt;方向為主，且含有少量lt; gt;方向的晶粒；正常位置組織中的晶粒取向分布十分均勻，未出現明顯的集中取向，且部分晶粒為中間過渡色，大部分晶粒的c 軸都沿著鈦板RD 方向。故可以得出，雜質元素會使純鈦板中的晶粒取向產生一定變化。

圖5 為鈦板正常位置與缺陷位置的再結晶圖。其中藍色表示再結晶晶粒、紅色表示變形晶粒、黃色表示回復晶粒。由圖5（a）可知，正常位置的組織中主要是由再結晶晶粒構成，僅存在少量的回復晶粒，幾乎不存在任何的變形晶粒。從圖5（b）中發現，其組織同樣是以再結晶晶粒為主，但組織中的回復晶粒明顯增加，且有少量的變形晶粒。鈦板經軋制以及退火處理后，晶粒會經歷變形、回復以及再結晶3 個過程。再結晶是細化組織的最主要方法之一[11-12]。由圖5 可以發現，經退火處理后的鈦板再結晶情況十分良好，缺陷位置的回復晶粒較正常位置的要多，這是由于缺陷位置存在一定的雜質元素，會影響在軋制過程中組織的均勻性，導致部分晶粒變形不充分，從而降低該位置空位、位錯等結構缺陷密度，經退火處理后，該位置少量晶粒仍停留在回復階段，未發生再結晶。

2.3 維氏硬度分析

由圖1 可知，正常位置的金相組織與缺陷位置附近的金相組織差異較小，兩個位置的金相組織均是由等軸α 晶粒組成，缺陷位置組織未出現氧化層，可排除組織形貌不同對維氏硬度產生影響的可能。隨后分別對缺陷位置以及正常位置進行維氏硬度測試，測試具體位置圖6（a）所示，測得維氏硬度的具體數值如圖6（b）所示。由圖6（b）可知，缺陷位置的維氏硬度平均值為130.1，正常位置的維氏硬度平均值為104.7。可以發現，缺陷部位硬度要略高于正常位置，平均值相差25.4。

造成不同位置維氏硬度出現差異的主要因素是不同位置O、Fe、N、C 等元素含量不同。經分析缺陷位置附近的O、Fe 以及C 元素含量略高。由于O 元素的增加會起到固溶強化的效果，導致在測試過程中維氏硬度增大；Fe 元素會發生置換反應，導致部分Ti 元素被置換，增加了組織中的晶格畸變，故該部分組織維氏硬度增大；過多C 元素會使組織中出現TiC，由于TiC 本身的硬度較高，故增大組織維氏硬度[13]。為進一步驗證上述分析，對缺陷位置（圖2 位置A）放大至1 萬倍進行觀察，并測試析出相成分，具體相貌及成分如圖7 與表3 所示。由測試結果可知，內部彌散分布的細小析出相主要為TiC 及微量的（Fe、Ti）C，進一步驗證了缺陷位置維氏硬度較高的原因。

3 結 論

（1）在缺陷內部分布著有多種不同類型的氧化物以及夾雜物。其中主要包含的元素有O、Si、Al、Fe、Mg 等元素，主要是在冶金與加工過程被帶入。

（2）缺陷位置與正常位置金相組織一致，無明顯氧化層，正常位置組織中的晶粒取向分布十分均勻，無明顯的集中取向存在，且部分晶粒為中間過渡色，大部分晶粒的c 軸都沿著鈦板RD 方向，缺陷位置組織中的晶粒取向以lt;0001gt;方向為主，并發現雜質元素會影響回復與再結晶過程。

（3）測得缺陷位置平均維氏硬度為130.1，正常位置平均維氏硬度為104.7，缺陷位置平均維氏硬度較正常位置高25.4，缺陷位置內部彌散分布的細小析出相主要為 TiC 及微量的（Fe、Ti）C。