TC4钛合金板材缺陷分析

TC4钛合金是目前用途最广的两相钛合金，由密排六方结构的 α 相和体心立方结构的 β 相构成。具有比强度高、耐蚀性好，抗疲劳和抗裂纹扩展能力强等优异性能，使其在航空航天、船舶制造、石油化工、生物医疗等多个领域得到广泛应用，尤其航空发动机叶片和涡轮盘等大多采用 TC4 钛合金材料 ［ 1-2 ］ 。

钛合金加工材料的制造过程包含熔炼、锻造或轧制及热处理等，其中导致成分偏析的主要因素在钛合金的熔炼过程。成分偏析在后续加工中极其容易引起显微组织的异常，这种异常致使缺陷区域与正常区域硬度值不同，继而导致性能的不均匀 ［ 3-4 ］ 。在零部件长时间服役过程中容易萌生疲劳裂纹源，降低产品的使用寿命，严重时即使在正常载荷使用范围内也可导致零件发生瞬时断裂。因此，为确保材料的安全性和可靠性，文章对此类缺陷进行了检验分析与判别，并对其成因进行了分析，旨在提高产品的质量，优化生产过程 ［ 5 ］ 。

1、 实 验

1.1 实验材料

以 TC4 合金名义成分配料，通过真空自耗炉熔炼，经过轧制成 δ25mm 厚板材。原料取样分析化学成分，结果符合 GB/T3620.1《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，结果见表 1。采用 CTS-9002PLAS 超声波探伤仪进行检测时，仪器显示波形出现多条异常峰值，确定此区域可能存在缺陷，超声探伤见图 1。在板材上对此区域进行取样，进行更加深入地分析。

1.2 实验设备

采用 ZEISSObserverZ1m 科研级光学金相显微镜，观察经腐蚀后（腐蚀剂 5%HF+10%HNO3+85H2O）材料的显微组织。采用 WilsonVH1150 维氏硬度计进行区域硬度分析，载荷 1kg，加载时间 15s。采用 JSM6480 扫描电镜进行表面形貌观察，并对微区成分进行能谱分析。

2 、结果与分析

2.1 组织分析

沿延轧制方向逐层对缺陷位置纵剖面进行低倍组织分析，图 2 为经腐蚀（腐蚀剂 10%HF+25%HNO₃ +85H₂O）后的宏观组织照片。宏观组织显示，板材厚度1/2 层处存在条形亮斑，且沿轧制方向向两侧延伸分布，其周边组织流线沿缺陷外形分布 ［ 6 ］ 。

图 3 为 TC4 钛合金板材正常区域显微组织形态。

从图 3 中可见，正常区域为 β 基体上的等轴 α 和拉长 α组织，符合 TC4 作为 α+β 两相钛合金的组织特征。图 4为过渡区域显微组织。图 5 为 TC4 钛合金板材缺陷区域不同位置的显微组织形态。图 5a 组织为单相等轴 α 组织，图 5b 为单相等轴 α+片层状 α 组织。观察图 5 照片中组织，未发现存在 β 相，分析可得，缺陷区域应该存在成分的差异，从而导致组织上的异常化。

2.2 显微硬度测试

分别测试正常区域和缺陷区域的显微维氏硬度，测试结果如表 2。数据显示，正常区域硬度值在 TC4 维氏硬度值正常范围内，缺陷区域硬度值明显低于正常区域，低于正常区域约 17%，属于软偏析。

2.3 扫描电镜及能谱分析

图 6 和表 3 分别为正常区域和缺陷区域扫描电镜组织形貌和能谱成分分析结果。从表 3 中可见，正常区域成分接近 TC4 理论值，缺陷区域钒（V）元素含量为0.37%，与正常区域相较含量极低，Al 含量略高于正常值，钛（Ti）元素含量 92.47%明显高于正常值，由此可以判定此缺陷属于较为明显的富钛偏析 ［ 7-8 ］ 。

2.4 讨 论

在钛合金元素作用中，V 元素属于 β 相稳定元素，起到固溶强化 β 相的作用，Al 元素属于 α 相稳定元素 ［ 9 ］ 。偏析区域这种贫钒富铝富钛的元素浓度，会促使组织向 α 相的转变，与图 3 中 α+β 组织和图 4 中单相 α组织的形貌结论相符。基于材料晶格变形时位错研究，两相结构会阻碍晶格的滑移，使其具有更高的强度和硬度，与正常区域两相组织显微硬度高于偏析区域单相组织硬度的结果一致。同时，由于成分偏析和后续热变形加工作用，偏析区域沿轧制方向成亮条分布。

在钛合金熔炼过程中，多采用真空自耗电弧炉熔炼（VAR）。此方法将海绵钛与中间合金充分混料后压制成电极块，并通过焊接制备成可供熔化的电极棒，经多次真空熔炼得到钛合金铸锭。熔炼过程中提高压块的质量，控制好凝固过程相应工艺参数，能有效地减少宏观偏析，尤其冷却速度、液体金属的搅动、电流加热温度等 ［ 10-11 ］ 。同时，若熔炼原料海绵钛和中间合金等配料的粒度不均，也会造成合金元素分布不均，导致局部区域元素的富集或者贫化，造成偏析缺陷及组织和性能的差异化 ［ 12 ］ 。因此，在熔炼过程中需加强海绵钛和中间合金的复检，提高电极压制质量，严格控制相应的工艺流程和参数。

3、 结 论

（1）通过组织观察、显微硬度测试及扫描电镜能谱分析，此缺陷属于熔炼过程控制不当引起的富钛偏析。

（2）提高熔炼工艺的稳定性、原料粒度的均匀性及电极压块的致密度，可有效降低宏观偏析的形成。

参考文献

［1］曹春晓.钛合金在大型运输机上的应用［J］.稀有金属快报，2006，25（1）：17-21.

［2］北京航空材料研究院.航空材料技术［M］.北京：航空工业出版社，2013.

［3］高平，赵永庆，毛小南，等.钛合金铸锭偏析规律的研究进展［J］.钛工业进展，2009，26（1）：1-5.

［4］何春艳，祝建雯，朱康平.α-β 两相钛合金棒材常见偏析缺陷分析［J］.理化检验（物理分册），2013，49（4）：247-250+254.

［5］陶春虎.航空用钛合金的失效及其预防［M］.北京：国防工业出版社.2002.

［6］刘卫东，张俊.钛合金在金相检验中的常见缺陷［J］.理化检验（物理分册），2022，58（9）：14-19.

［7］张利军，何春艳，薛祥义，等.钛合金冶金缺陷实例分析［J］.理化检验（物理分册），2013，49（12）：819-822+826.

［8］张飞奇，孙宝洋，李晗嫣，等.TA15 钛合金真空自耗电弧熔炼过程中的富钛偏析研究［J］. 钛工业进展，2019，36（3）：38-41.

［9］吴欢，赵永庆，葛鹏，等.β 稳定元素对钛合金 α 相强化行为的影响［J］.稀有金属材料与工程，2012，41（5）：805-810.

［10］邹武装.钛及钛合金真空自耗熔炼过程中关键参数控制分析［J］.钛工业进展，2011，28（5）：41-44．

［11］靖振权，孙彦辉，刘睿，等. 钛合金 TC4 真空自耗熔炼工艺参数对宏观偏析影响［J］.稀有金属材料与工程，2023，52（3）：815-822.

［12］李明宇，杨树峰，刘威，等. 真空自耗熔炼钛合金的偏析缺陷及控制研究进展［J］.中国冶金，2023，33（9）：1-10+18.

相关链接