浅析金相检测在钛锻件生产中的应用

1、引言

相好言测涉及材料、机械、物理、化学等众多学科，对于保证锻件产品质量发挥着重要的作用。锻件经金相检测、分析,可以及时发现其是否有缺陷,是否符合相关标准要求,并在此基础上进行锻造工艺改进⑴。目前，锻件生产基本工艺流程为原材料下料——自由锻——模锻——热处理——入库。金相检测贯穿于锻件的整个生产过程中,是保证钛锻件质量的重要依据，也是解决锻件生产问题的重要依据。因此，重视锻件的金相检测刻不容缓。

2、锻件金相检测的主要内容

(1) 宏观组织检查

锻件的宏观组织检查主要包括试样的低倍检查和断口检查。其中，低倍检查包括原材料低倍检查、锻件中间坯低倍检查、最终交付锻件的表面检查以及锻件解剖件的低倍检测。低倍检查通常是指机加的试样或锻件表面经腐蚀后按照相关标准进行目视检查,检查项目包括锻件的锻造流线、晶粒大小、冶金缺陷等。断口检查试样不需经过腐蚀，断口试样直接取自拉伸或冲击试验后的试样。

(2) 显微组织检查

锻件的显微组织检查是通过光学显微镜、扫描电镜、透视电子显微镜等仪器来研究锻件组织大小、形态、分布等。

显微试样制样流程为取样(锯切、线切割)——磨平、倒角(磨平机)——粗磨(不同粒度水砂纸)——抛光(绒布)——腐蚀⑵。不同的金属材料按照相关标准有不同的腐蚀剂，可根据来料类型进行选择。不同材料锻件的显微组织检查项目也不尽相同。例如,GH4169(IN718)锻件显微组织检查的项目主要有晶粒度、NisNb相、Laves相等，而不锈钢锻件显微组织检查项目则包括晶粒度、非金属夹杂等。

(3) 钛合金原材料相变点测试

本文将钛合金原材料相变点测试单列出来，是因为金相法是目前测试钛合金原材料相变点的主要方法，其准确性也较高。用金相法测试钛合金相变点主要参照的标准是HB6623. 1—1992,一般将钛合金原材料组织中3%以下初生α相的淬火温度作为场。

(4)交付锻件质量问题分析

由锻件生产厂家交付给使用单位的锻件在复验和使用过程中也会出现各种质量问题,这时就需要对锻件进行质量问题分析。锻件质量问题分析是对锻件原材料试样和锻件试样的断口组织、低倍组织和显微组织等进行综合分析，得出质量问题产生的原因。

3、金相检测在锻件生产过程中应用实例分析

3.1锻件原材料复验

锻件原材料复验主要是为发现原材料中存在的各种冶金缺陷，防止其遗传至锻件，影响锻件的质量。图1为TC17钛合金原材料的常规低倍及空烧低倍相片，可以看出，TC17钛合金原材料的常规低倍组织均匀,无冶金缺陷,符合标准要求。而空烧低倍组织不均匀，出现明显清晰晶粒，且晶粒大小大于GB/T 6394—2017E3］中的M-11. 0级，不合格。

TC17钛合金原材料空烧后晶粒过大、不均匀,这主要是原材料锻造时受力不均所致。若此问题遗传至锻件，会导致锻件晶粒不均，力学性能下降。

原材料进行金相检测时应充分考虑后续锻件的质量问题,若原材料疑似质量问题不会对锻件质量产生影响，可予以放行。图2为TC18钛合金原材料不同视角的空烧低倍相片。从空烧低倍组织上来看，晶粒大小较均匀，但在低倍组织中出现黑色点状晶粒，借助便携式显微镜观察，其显微组织与正常区域并无差别,此种情况为不同组织对于光线的衬度不同导致，不影响锻件情况，给予放行。

3.2锻件中间坯检验

锻件中间坯进行金相检验的目的主要有两个:一是进一步检查原材料有无质量问题;二是为分析锻件质量问题提供依据。

图3为经墩饼后的GH4169合金端面低倍腐蚀相片，可以看出，低倍组织正常，无冶金缺陷和锻造缺陷，可进行下一步模锻。图4为TC4-DT钛合金锻件低倍照片，最终检验时试样心部出现粗大弥散晶粒。为了确定产生此质量问题的原因,重新按照原工艺锻造了一件锻件。锻件经自由锻打完荒形后,在锻件荒形上切取毛边试样,对毛边试样按照锻件最终热处理制度进行热处理，然后进行低倍检测。从毛边低倍图片可以看出,TC4-DT钛合金锻件低倍组织均匀,满足标准要求，因此可以排除自由锻工序为锻件出现上述质量问题的原因。

3.3锻件最终的金相检验

锻造、热处理后的锻件必须经过最终检验，合格后方能入库。金相检验在锻件最终检验中发挥至关重要的作用，金相检验不合格,则整批锻件报废。

首先,锻件最终检验可以发现原材料复验时未发现的冶金缺陷。图5为最终交付的30CrMnSiA锻件低倍，此批锻件原材料复验时并未发现质量问题，但从锻件低倍上可发现浅灰色斑点，最初怀疑为点状偏析。最后借助能谱仪分析灰色斑点的化学成分，确定为点状偏析，此缺陷为原材料遗传至锻件的缺陷。原材料复验只是抽取部分试样进行检验，对于缺陷检查率不能达到100%o锻件发现原材料质量问题，不仅此批锻件报废，同批原材料也被确定为不合格,退回原厂家。

其次，锻件最终金相检验还可以发现因工艺不当或者设备故障而出现的质量问题。图6( a)为TC4-DT梁锻件的解剖件低倍，可以看出，低倍组织中局部晶粒过大。对锻件每个工序进行问题排查，最终确定为锻造加热时加热炉跑温所致。图6(b)为Ti60钛合金盘类锻件的显微组织，可以看出，此锻件显微组织中初生a含量过少，不符标准要求。

由于此锻件的直径达1000mm,导致锻造过程中锻件各部分组织不均匀。最终经过分析，确定为锻造工艺参数设置不当所致。

4、金相检测在交付锻件质量分析中的应用实例

交付使用的锻件不可能实现100%检查,存在一定质量问题是不可避免的。图7为交付给客户的IN718锻件低倍照片。在复验机加时，锻件局部区域发现坑状缺陷,呈麻点状分布。针对上述问题，对该缺陷产生的原因展开了分析和问题排查。在排除了锻造生产过程中产生点坑状缺陷的可能性后，通过试验证明，缺陷产生的原因为表面残留酸液经挥发提纯与锻件局部发生反应形成了过腐蚀点状坑。

将取自该IN718锻件解剖件的试样进行酸浸试验，观察坑洞形成过程，见图8。可以看出，锻件原始显微组织未见异常情况，呈链状分布碳化物聚集。对该试样进行酸浸并在空气中暴露24h后,观察高倍组织,碳化物区域与周围基体组织的显微镜景深出现差异，说明碳化物区域腐蚀反应速度高于基体组织。继续对该试样进行酸浸并在空气中暴露24h后(累计暴露48h),观察高倍组织,碳化物区域与周围基体组织的显微镜景深差异加大，并可明显看到原碳化物位置处形成较大坑洞。

5、结论

本文结合实例论述了金相检测在钛锻件生产过程中的应用，可以看出，金相检测在保证锻件质量方面有重要的意义。

各锻造厂家在生产中应注重金相检测的应用，以保证锻件的产品质量。

参考文献

[1] 机械工业理化检验人员技术培训和资格委员会•金相检验[M ].上海:上海科学普及出版社,2003.

[2] 邙朝羲.金相显微镜在钢材检测中的应用[J].广东建材,2017(6) ：25-26.

[3] 金属平均晶粒度测定方法:GB/T 6394—2017[S]. 2017.

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