Ti-230 鈦合金鍛件低倍缺陷形成原因分析

文／屠孝斌，段曉輝，張俊杰，傅開，張文，葛金余，王黎陽·寶雞鈦業股份有限公司

Ti-230 合金是英國帝國金屬工業公司研發的含銅量2%～3%的鈦合金，其名義成分為Ti-2.5Cu，是一種低強度、高塑性的近α 型鈦合金，該合金具有中等強度、良好的塑性及優異的加工性，能加工成各種棒材、板材、型材及環形件等，主要用于制作飛機發動機部件。此合金的焊接性能良好，可與純鈦作異種材料的焊接，可以熱處理強化，熱處理后室溫、高溫強度可提高20%～25%。但該合金含有的Cu 元素是一種快共析元素，在凝固的過程中易與Ti 發生共析反應，傾向于在晶粒內條狀α相之間生成化合物Ti2Cu，形成明顯的共析組織，這會嚴重影響鍛件的力學性能和后續使用的可靠性，甚至可能造成重大的產品質量事故。

本文采用金相分析、化學分析等理化手段，對某件Ti-230 鈦合金鍛件的低倍缺陷進行了分析，并探討了該缺陷的形成原因和機理，為提高Ti-230 鈦合金產品品質和可靠性提供一定的參考。

問題描述與檢測

鑄錠由真空自耗電弧爐(VAR)兩次熔煉而成，錠型φ604mm，重量約2300kg，化學成分如表1所示。經金相法測定其(α+β)/β 相轉變溫度為894℃。該鑄錠先在β 相區拔長，經下料后，在兩相區反復鐓拔，然后進行沖孔、擴孔、軋環得到規格φ1000mm×φ850mm×70mm的環材，最后進行退火熱處理和機加工，熱處理制度：790℃×1h.AC。退火、機加工后按標準進行各項出廠檢測。

表1 Ti-230 鈦合金鑄錠的化學成分(質量分數，%)

鍛件的超聲波探傷檢測滿足標準GB/T 5193-2007 A 級的要求，力學性能檢測也符合標準要求，但在鍛件的低倍檢驗階段發現了異常，環材端面局部區域存在模糊的條紋，在該區域截取試樣塊，再將試樣進行逐級打磨、拋光、浸蝕后，用酒精清洗并吹干，得到的低倍組織照片如圖1 所示。浸蝕溶液由體積分數5%HF+12%HNO3+80%H2O配置而成。從圖1 中可以看出，低倍組織中有明顯的白色條紋，其走向與鍛件的變形方向基本一致。從鍛件缺陷處切取15mm×15mm 試樣進行顯微組織、顯微硬度和微區域成分檢測和分析，然后分別在缺陷區和正常區切取□20mm×80mm試樣機加工成R7型拉伸樣，在電子萬能試驗機上進行室溫拉伸性能檢測。

檢測結果

顯微組織檢測

采用Zeiss Axiovert 200 MAT 型金相顯微鏡對條紋區域進行觀察，條紋處顯微組織如圖2 所示。低倍下的白色條紋在高倍顯微鏡下為網籃組織，夾雜少量初生α 相顆粒，而基體為等軸組織，初生α 相含量高，基本呈球形或短桿形。

微區成分檢測

利用能譜儀和顯微硬度儀對缺陷區和基體區進行微區成分分析和顯微硬度分析，分析結果如圖3 和表2 所示。

圖3 能譜分析結果

表2 基體區和缺陷區的能譜成分和顯微硬度結果

從圖3 中可以看出，基體區的Cu 含量為2.66%，與鑄錠測得的結果2.1%相近，而缺陷區Cu 含量達到了4.88%，幾乎是基體區的兩倍，明顯高于鑄錠所測的結果2.1%。

從表2 中可以看出，基體區和缺陷區存在明顯的顯微硬度差異，基體區Cu 含量為2.66%，對應的顯微硬度值為194 ～199HV；而異常區的Cu 含量為4.88%，對應的顯微硬度值為132 ～136HV；異常區的顯微硬度值只有正常區的2/3 左右。

室溫拉伸性能檢測

拉伸試驗方法按GB/T 228.1-2021 進行，檢測結果見表3?；w區抗拉強度為555 ～570MPa，屈服強度為445 ～455MPa，伸長率為28%～29%，斷面收縮率為47%～48%；缺陷區抗拉強度為555 ～575MPa，屈服強度為430 ～465MPa，伸長率為29%～30%，斷面收縮率為47%～48%；由此可見，基體區和缺陷區室溫拉伸性能基本一致。

表3 基體區和缺陷區的室溫拉伸結果

分析與討論

真空自耗爐熔煉(VAR)技術是目前生產鈦合金最主要的方法，由于真空電弧爐自身的特點，其生產出來的合金錠可能存在一些缺陷，如難熔金屬夾雜、間隙元素偏析、合金元素偏析引起的組織缺陷、反常的α 相形態等組織缺陷，還有化學成分宏觀和微觀偏析等等。微觀偏析是引起某些組織缺陷和宏觀偏析的根本原因，而且它必然會存在于熔煉過程中。趙永慶等發現，Ti-230 合金中Cu 元素在宏觀以及晶內有較大的偏析傾向，容易在以Ti2Cu 相或β 相為主的晶界富集，在以α 相為主的晶界貧化。這說明Ti-230 合金在熔煉過程中較一般鈦合金更容易產生成分偏析，這很大概率導致了本案例中鍛件上的β 斑。

從王寒等的研究來看，鍛件上的亮斑或暗斑，形成原因主要有兩個，一是加熱或鍛造造成的，其缺陷或靠近表面區域或分布于變形量較大的區域，這是因為在加熱過程中，坯料擺放位置不當，使超出加熱爐有效區的坯料局部溫升，從而形成“局部暗斑”。過快的鍛造變形速率，使得變形量較大的區域溫升，溫度高于相變點而進入單相區，最終出現了亮斑區α相含量少的現象，從而在鍛件變形量較大的中間區域形成流線形亮條。二是由于原材料成分偏析造成。偏析區域β 相變點溫度比基體低，使得熱加工過程易形成β 斑點，表現為低倍下的亮斑。本案例中，從能譜分析結果中可以看出存在明顯的成分偏析，顯微硬度結果也驗證了這一點。缺陷區域Cu 含量明顯偏多，降低了缺陷區域的相變點，使其相變點低于始鍛溫度而高于終鍛溫度，最終在偏析區形成了網籃組織，在低倍上表現為條狀亮斑。

因此，造成Ti-230 鍛件β 斑的原因是局部成分偏析。為避免此類缺陷的產生，可采取以下措施：

⑴選用高品位的海綿鈦和中間合金，減少原料引入的偏析；

⑵加強熔煉過程控制，降低偏析傾向；

⑶在鍛造加熱時，適當延長鑄錠β 相區以上加熱和保溫時間，并確保坯料擺放在有效加熱區內，使合金元素充分擴散，促進微區成分均勻化，改善微觀偏析；

⑷在各工序間加強檢驗，盡量消除或減少偏析。

結論

⑴Ti-230 鍛件的β 斑是由于成分偏析造成的，Cu 元素存在明顯偏析，降低了局部相變點，鍛后局部形成了網籃組織，在低倍上表現為條狀亮斑。

⑵Ti-230 合金中β 斑對探傷性能、室溫拉伸性能的影響很小，但會明顯降低顯微硬度值。

⑶為避免Ti-230 成分偏析的發生，應加強熔煉的原材料和過程控制，適當延長鑄錠β 相區以上加熱和保溫時間，加強各工序間的檢測，以達到消除或減少偏析的目的。