潛艇艦船用Ti80鈦合金棒材黑斑缺陷分析

引言

Ti80（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）是一種綜合性能良好的α+β兩相鈦合金，由于其良好的耐蝕性、強(qiáng)韌性、無磁性與可焊性等優(yōu)勢(shì)，Ti80合金已廣泛應(yīng)用于深潛器與艦船[1-3]。

Ti80合金在服役時(shí)長期浸泡在海水中，且會(huì)受海浪及海上漂浮物的沖刷和撞擊，承受巨大的沖擊載荷作用，這對(duì)材料性能要求非常高。如果服役材料微區(qū)成分不均勻，必然會(huì)引起宏觀及顯微組織的異常，而這種異常會(huì)使材料在整體上表現(xiàn)為性能不均勻，最終萌生疲勞裂紋源，降低使用壽命，對(duì)艦船的安全性也是極大隱患[4]。

本文探討了Ti80合金棒材低倍檢查中遇到的黑斑情況，并對(duì)其進(jìn)行了分析與判定，旨在為提高生產(chǎn)質(zhì)量，為檢驗(yàn)提供借鑒。

1、 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

筆者在對(duì)某Ti80鈦合金棒料進(jìn)行低倍觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)形狀不規(guī)則的黑斑。如圖1所示，推斷為冶金缺陷。為準(zhǔn)確判定缺陷類型，進(jìn)一步分析缺陷產(chǎn)生的原因，從而為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供幫助，本文對(duì)該Ti80鈦合金產(chǎn)品進(jìn)行了進(jìn)一步檢測(cè)分析。

該棒材原料按標(biāo)準(zhǔn)要求配料，經(jīng)三次真空自耗電弧爐熔煉，制成鑄錠，取樣分析化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。該結(jié)果符合技術(shù)協(xié)議要求，說明整批材料的化學(xué)成分沒有問題。

然后鈦合金鑄錠在相變點(diǎn)以上開坯，下料后，再經(jīng)過多次墩拔鍛造，加工成成品前坯料，最后在相變點(diǎn)以下成型，制成成品鈦合金棒材毛坯料，經(jīng)扒皮，拋光，最后為成品棒材。送檢時(shí)，任取一支棒材下料取樣，檢查低倍橫截面。鍛造生產(chǎn)過程均符合要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

用ZEISS Observer.A1m光學(xué)金相顯微鏡觀察棒材顯微組織。用JSM-6460鎢燈絲掃描電子顯微鏡進(jìn)行微區(qū)成分分析。用401MWD顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。

2、 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見，Ti80鈦合金正常區(qū)域的顯微組織為α+β兩相區(qū)加工的組織，所有原始β晶界充分破碎，是典型的雙態(tài)組織；初生α含量約60%。黑斑缺陷區(qū)域的顯微組織為近β或β相區(qū)加工組織，無初生α相，為魏氏組織，這與鈦合金中“β斑”的缺陷類型相似。因此，從顯微組織的結(jié)果我們初步判定黑斑缺陷區(qū)為偏析區(qū)域。

2.2 微區(qū)成分分析

用顯微組織檢驗(yàn)完畢的試樣切取其中包含正常區(qū)和缺陷區(qū)的一小塊作為掃描電鏡試樣，進(jìn)行區(qū)域標(biāo)識(shí)，采用EDS（掃描電鏡的能譜儀）分別對(duì)正常區(qū)與缺陷區(qū)進(jìn)行微區(qū)成分分析，并用SEM進(jìn)行組織觀察，檢測(cè)區(qū)域如圖3所示，結(jié)果見表2，SEM觀察照片見圖4。

表2中的正常區(qū)域能譜分析結(jié)果驗(yàn)證了整批材料化學(xué)成分的檢測(cè)結(jié)果，整批材料的化學(xué)成分是合格的。但是，在黑斑缺陷區(qū)域卻出現(xiàn)了明顯的富鉬和貧鋁元素的情況，鈦元素含量與正常區(qū)域接近。由此，我們判斷該Ti80合金棒材為貧鋁型的偏析。

2.3 硬度檢測(cè)

分別對(duì)缺陷區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試。結(jié)果如表3所示。由表3可見，缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的硬度值未出現(xiàn)明顯偏差，缺陷處的硬度也滿足技術(shù)要求，這符合貧鋁型偏析的特點(diǎn)。

2.4 力學(xué)性能

該批Ti80鈦合金棒材的力學(xué)性能如表4所示，均符合技術(shù)協(xié)議要求。

2.5 超聲檢測(cè)

除上述方法外，還對(duì)黑斑區(qū)域進(jìn)行了超聲檢測(cè)，經(jīng)掃查發(fā)現(xiàn)最高一處異常反射波如圖5所示。從圖中可以看出該棒材試樣超聲探傷雜波高度約10%屏幕，異常組織波高約20%屏幕，該異常波的當(dāng)量為?1.2-21dB。該異常組織通過超聲檢測(cè)的方式只能夠發(fā)現(xiàn)很微弱的反射波，與正常組織的雜波之間較難區(qū)分。因此，用超聲波探傷無法檢測(cè)該缺陷。

2.6 討論

綜合上述檢測(cè)結(jié)果，可以判斷該黑斑缺陷為β斑。

從微區(qū)成分結(jié)果可以看出，Mo、Ni、Zr元素含量在β斑區(qū)和異常區(qū)均無較大差異，Al元素含量在β斑區(qū)與正常區(qū)存在顯著差別，Al元素為α穩(wěn)定元素，β斑區(qū)Al元素含量明顯偏低，因此可以判定此β斑區(qū)為貧鋁的成分偏析。

由于Al元素為α穩(wěn)定元素，Al含量的偏低就會(huì)造成該區(qū)域的相變溫度比正常區(qū)域的相變溫度偏低，基于兩相區(qū)雙重?zé)崽幚砗蟮玫降娘@微組織可知，該區(qū)域與正常區(qū)的相變點(diǎn)差異應(yīng)大于30℃。因此，Al含量偏低區(qū)域在熱處理過程中由于整體溫度高于本區(qū)域的相變溫度，導(dǎo)致Al含量偏低區(qū)域的初生α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵罱K形成β斑。

根據(jù)此β斑的表現(xiàn)特點(diǎn)，產(chǎn)生的可能原因是Al中間合金部分顆粒過大，經(jīng)過三次VAR熔煉，未能充分熔化均勻，造成Al元素分布不均。而且此β斑分布的情況可推演出，此β斑并非聚集于鑄錠的心部，應(yīng)該是離散性的分布于鑄錠的各個(gè)部位，且密度大[5,6]。

為了消除此類缺陷，建議在Ti80鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦粒度與中間合金的均勻性以及混料時(shí)化學(xué)成分的均勻性。

3 、結(jié)束語

經(jīng)過顯微組織觀察、微區(qū)成分分析及掃描電鏡觀察和顯微硬度測(cè)試，確定該批Ti80鈦合金棒材為貧鋁型的β斑。

建議在Ti80鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦與中間合金粒度的均勻性以及混料時(shí)化學(xué)成分的均勻性。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁滿,曹玉如,張亞娟,等.Ti80鈦合金相變點(diǎn)的測(cè)定[J].熱加工工藝,2013,42(14):57-59,92

[2] 王云,羅登超,王莎,等.熱處理對(duì)Ti80冷軋管材力學(xué)性能和組織的影響[J].熱加工工藝,2019,48(10):200-202.

[3] 權(quán)思佳,宋克興,張斌斌,等.熱處理工藝對(duì)Ti80合金顯微組織的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2018,39(5):44-51.

[4] 朱勤,張延生,何龍，TC4合金棒材成分偏析組織的分析與判定[J].稀有金屬快報(bào),2007,5:37-39.

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