实验观察获取GR2纯钛棒材生产中存在点状缺陷及改进措施

引言

GR2纯钛具有密度小、耐腐蚀性好和人体亲和性较好等特点，可以用来制作手表框及表盖。由于手表兼具装饰性功能，对手表用钛材的表面和组织均匀性要求较高，如果材料存在组织不均匀或其他缺陷时，会影响成品的美观和使用。

GR2纯钛棒材在平端头工序中，会出现如图１所示缺陷，此类缺陷呈点状，不规则地分布在棒材端部，且会沿棒材纵向延伸，延伸长度依据缺陷大小而定。此类缺陷在端面打磨、抛光后更加明显，呈浮凸状。图２所示为带有缺陷的GR2纯钛棒材制成表盖后点状缺陷的形貌。从图中可见，棒材经过切断、锻压、冲压、打磨、抛光后，点状缺陷并没有消除，反而更加明显，严重影响了手表的美观和使用。因此，分别对此类典型缺陷的化学成分、显微组织和维氏硬度等进行测试，并对点状缺陷产生的原因及应对措施进行分析，以期能够解决此类问题。

1、实验

实验材料为GR2纯钛棒材，规格为φ20ｍｍ，化学成分如表１所示。棒材端面典型点状缺陷见图３，图中可见ａ、ｂ两处缺陷，观察发现ａ处缺陷颜色较深，与基体反差较大；表面有凸起现象，并有孔洞；且分布集中，呈块状区域。ｂ处缺陷呈发散状，分布区域较大，表面有凸起现象。

为了进一步分析缺陷区域与基体组织的差异，沿典型缺陷ａ区和ｂ区中心部位（图３中画线位置）沿棒材纵向切割。采用OLYMPUSPMG3型倒置式显微镜观察其断面显微组织；采用401MWD型数显显微维氏硬度计测量ａ、ｂ两处缺陷和基体的显微硬度，保压时间为30ｓ，加载载荷为300ｇ；采用JSM-6460扫描电镜的EDS附件分析缺陷区域的化学成分；采用岛津公司EPMA-1600型探针显微分析仪（EPMA）对ａ区纵向微量元素进行定量分析。

2、结果与讨论

2.１　纵向显微组织分析

缺陷样品沿纵向切割后的显微组织如图４所示，放大倍数均为50倍。图４ａ、ｂ、ｃ分别为缺陷ａ区上端面、中部和下端面的显微组织，图４ｄ、ｅ、ｆ分别为缺陷ｂ区上端面、中部和下端面的显微组织。

由纵向显微组织可以看出，缺陷ａ区和缺陷ｂ区均呈条带状，沿棒材纵向延伸，有一定的区域性；缺陷以外的基体组织为典型纯钛等轴α组织，晶粒等级约为９级，晶粒大小均匀，晶界清晰，并且无“沿纵向延伸”这种现象。

图４ａ中缺陷ａ区可见明显孔洞，并且沿纵向拉长；从图４ｂ、ｃ可以看出，缺陷ａ区纵向中部和下端面部没有孔洞，但是金相组织同周围正常部位相比呈现出异常，可看到沿着棒材纵向有明显的条带状延伸，有明显的区域性，边界清晰，呈集束状；

集束内的显微组织无论形貌还是晶粒大小都与两边基体组织一致，只是在集束区内的晶粒有“褶皱”现象，这种组织形貌应为ａ区端面缺陷延伸至该处“弱化”的一种体现，并未造成组织的改变，只是影响界面形貌，最终缺陷区域逐渐消失。

图４ｄ、ｅ、ｆ为典型缺陷ｂ区的纵向显微组织。由图中可见，该区域两端面和中部区域显微组织基本一致，呈发散状的纵向延伸，缺陷区与基体区存在过渡区域，且弥散分布；缺陷区组织为条带状，并且与基体逐渐过渡，从没有明显的晶界演变为晶界逐渐清晰的拉长状晶粒，最终演变为晶界完整的等轴组织。

综上，缺陷区域包括孔洞及异常组织等冶金缺陷，且均沿棒材纵向拉长、延伸，这是由于钛锭在锻造、热轧加工成棒料时，孔洞等缺陷沿纵向被拉长并残留在材料当中。

2.2　显微硬度测试

图５为GR2纯钛棒材各区域显微硬度分布图。

从图中可以看出，缺陷区域（ａ区和ｂ区）的显微硬度值明显高于基体，为3420～3696MPa，约为基体显微硬度的２倍。基体组织硬度分布较均匀，为

1607～1803MPa；缺陷ａ区域附近基体硬度分别为1793、1803MPa，略高于缺陷ｂ区附近基体的硬度，说明两处缺陷对附近基体组织显微硬度的影响程度不同，缺陷ａ区对基体显微硬度影响较大。

２.３　化学成分分析

为了分析缺陷区域化学成分，利用EDS能谱仪对上述样品基体和两缺陷区域进行成分检测，结果如表２所示。从EDS分析结果可见，基体与缺陷区域主元素成分一致，均为Ti，无其他成分差异，由于EDS检测的精度有限，推断应属于微量的杂质含量差异。利用EPMA分析方法对缺陷区域ａ进行面扫描分析，由于Ｈ元素质量较小，对Ti、Fe、C、N、O进行分析，结果如图６所示。

其中，C、Ti、Fe的色带度量单位为质量分数（w％），N、O的色带度量单位为特性Ｘ射线强度。由EPMA分析结果可见，Ti、Fe、C、O元素含量均匀一致，缺陷区域与基体部分含量相近，无明显区别；N元素浓度在缺陷区域明显高于周围基体。由此可见，缺陷区域显微组织和显微硬度的差异是由于N元素的异常分布（氮富集）导致的。

3、改进措施

通常来说，钛与氮的亲和性较高，氮元素会对金属钛的机械性能产生影响。氮含量过高时，钛会变硬变脆。综上，GR2纯钛棒材中的点状缺陷应为熔炼时局部产生了氮富集，其中一些氮以气泡的形式残留在铸锭当中；钛锭中有气泡残留的地方经锻造轧制加工后，气泡产生的孔洞沿纵向被拉长残留在材料当中；由于金属钛中氮元素会对材料机械性能产生影响，钛锭在锻造、热轧加工成棒料时由氮富集所导致的机械性能异常部位则沿棒料被纵向拉长；棒料经横向切割、抛光后，氮富集导致的机械性能异常部位就呈现了表面异常（浮凸状）现象。因此，分析认为该缺陷产生的主要原因是铸锭熔炼时产生了氮富集，原材料或者熔炼时的环境控制环节出现了某些问题。

通过对铸锭的真空电弧熔炼过程进行分析，产生该问题的原因应为：①海绵钛的纯洁度不高，低品质海绵钛中含有富N的TIN颗粒，熔炼时未剔除干净；②在电极焊接时未采取有效的保护措施，焊接时大气介质导致N元素增加。后续在熔炼过程中针对以上两点进行改善、验证，预先进行海绵钛的筛选，剔除氮化的海绵钛块（TIN）、带残渣或富铁及伴生元素的海绵钛块；电极组焊时用氩气保护等离子焊接，避免焊缝出现发蓝等氧化、氮化现象。经过几批次验证，成品棒材组织均匀，无点状缺陷等类似缺陷，该问题得到明显改善。

4、结论

(1) GR2纯钛棒材端部点状缺陷具有以下特质：宏观可见凸起现象，其中一些有孔洞；缺陷区域沿棒料纵向延伸，显微组织同周围正常组织相比呈现异常；缺陷区域的显微硬度约为基体显微硬度的２倍；缺陷区域位N含量较高（氮富集）。

(2) 氮元素会对金属钛的机械性能产生影响，氮含量过高钛会变硬变脆。文中所述GR2纯钛棒材中的点状缺陷应为铸锭熔炼时局部产生了氮富集，可能原因为：一是海绵钛里含有富N的TIN颗粒，熔炼时未剔除干净；二是在电极焊接时未采取有效的保护措施，焊接时接触大气导致N元素增加。

(3) 熔炼纯钛铸锭时预先进行海绵钛的筛选，剔除氮化的海绵钛块（TIN），电极组焊时用氩气保护等离子焊接，避免与大气接触，可有效避免此类缺陷。

参考文献

[1] 张喜燕，赵永庆，白晨光．钛合金及应用［M］．北京：化学工业出版社，2005:92．

[2] 稀有金属材料加工手册编写组．稀有金属材料加工手册［M］．北京：冶金工业出版社，1984．

[3] 王海，魏芬绒，崔文俊，等．超低间隙TC4钛合金形变热处理工艺［J］．材料热处理学报，２2015，36(1)：52-55．

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