摘 要:對(duì)鈦合金零部件在日常生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分類和總結(jié),選取其中的典型缺陷 案例進(jìn)行宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、顯微硬度測(cè)試、掃描電鏡及能譜分析和電子探針顯微分析。結(jié)果表 明:鈦合金零部件常見(jiàn)的缺陷有清晰晶、應(yīng)變線、偏析、過(guò)熱過(guò)燒及α層等。對(duì)不同缺陷的產(chǎn)生原因 進(jìn)行分析,為相關(guān)人員在鈦合金的檢驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中對(duì)缺陷性質(zhì)的判定提供了參考。 

關(guān)鍵詞:鈦合金;清晰晶;應(yīng)變線;偏析;過(guò)熱過(guò)燒;α層 

中圖分類號(hào):TG131                                        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                                 文章編號(hào):1001-4012(2022)09-0014-06 

鈦合金具有高的比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性能, 在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)已成為航空 發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要結(jié)構(gòu)材料之一。鈦合金的質(zhì)量輕, 故隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高,鈦合金的使用量 也在不斷增大[1-3]。對(duì)于大多數(shù)近α和(α+β)兩相 鈦合金而言,為了獲得較好的塑性,通常采用的都是 常規(guī)的兩相區(qū)鍛造,而對(duì)于一些需要獲得較高斷裂 韌性的零件,通常采用β鍛或準(zhǔn)β鍛的方法[4-5]。但 在日常生產(chǎn)過(guò)程中,不正確的鍛造工藝往往會(huì)使鈦 合金及其制品出現(xiàn)缺陷,鈦合金常見(jiàn)的鍛造缺陷有 組織過(guò)熱及不均、孔洞、裂紋等,這些缺陷將大大降 低鈦合金鍛件的力學(xué)性能,進(jìn)而給產(chǎn)品的使用帶來(lái) 潛在危險(xiǎn)[6-7],因此,需要加強(qiáng)對(duì)鈦合金的生產(chǎn)過(guò)程 中的檢驗(yàn)。在鈦合金鍛件的常規(guī)低倍檢驗(yàn)以及金相 檢驗(yàn)過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一些超標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)未明確規(guī) 定的目視缺陷,如某 TC2 環(huán)形自由鍛件按照 GJB 2744—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》檢查其 腐蝕后的表面低倍形貌,標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)半清晰晶的 允許情況進(jìn)行說(shuō)明,需要檢測(cè)部門進(jìn)行缺陷性質(zhì)的 判定,以便質(zhì)檢部門對(duì)產(chǎn)品作出合格與否的結(jié)論。 筆者歸納總結(jié)了鈦合金零部件在日常生產(chǎn)過(guò)程中發(fā) 現(xiàn)缺陷的類型,并對(duì)不同缺陷進(jìn)行了相應(yīng)的金相檢 驗(yàn),以供相關(guān)人員在日常檢驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中參考。

1 典型案例分析

1.1 TC1環(huán)形鍛件的粗晶 

TC1鈦合金經(jīng)過(guò)下料150mm(直徑)→兩相區(qū) 加熱→自由鍛→退火,最終抽檢1件產(chǎn)品,對(duì)其進(jìn)行 常規(guī)低倍檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)存在粗晶。

按照 GB/T5168—2008 《α-β鈦合金高低倍組 織檢驗(yàn) 方 法》,用 20% (體 積 分 數(shù),下 同)硝 酸 + 12%氫氟酸 水 溶 液 對(duì) 鍛 件 的 低 倍 試 樣 進(jìn) 行 侵 蝕,然后觀察試樣的顯微組織形貌,結(jié)果如圖1所示。 由圖1可知,試樣有明顯的清晰晶缺陷,原始β晶 界上存在連 續(xù) 且 平 直 的 晶 界 α相,其 形 成 原 因 是 該批原材料β相變點(diǎn)測(cè)試值偏高,鍛造加熱爐局部 超溫,導(dǎo)致了 TC1鈦合金鍛造溫度過(guò)高,從而產(chǎn)生 了清晰晶。 

1.2 TC2卡箍和整流葉片的鍛造應(yīng)變線

TC2卡箍和整流葉片經(jīng)機(jī)加后進(jìn)行金相檢驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)在零件表面存在周向和縱向的亮條缺陷顯示, 其宏觀形貌如圖2所示。

從 TC2卡箍和整流葉片分別取樣,并對(duì)其進(jìn)行 金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖 3,4 所示。由圖 3 可知,TC2 卡 箍亮條缺陷處的顯微組織存在明顯的方向性,放 圖1 TC1環(huán)形鍛件顯微組織形貌 大后觀察,可見(jiàn)其組織較細(xì)密。由圖 4 可知,TC2 整流葉片亮條缺陷處的顯微組織同樣存在明顯的方 向性,α和β相均呈拉長(zhǎng)形貌,整流葉片周圍正常區(qū) 域的顯微組織為等軸組織。 

分別對(duì) TC2卡箍和整流葉片進(jìn)行顯微硬度測(cè) 試和能譜分析,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn) TC2卡箍和 整流葉片亮條缺陷處與周圍正常區(qū)域的顯微硬度測(cè) 試結(jié)果和能譜分析結(jié)果沒(méi)有明顯差異,因此可以判 定 TC2卡箍和整流葉片的亮條缺陷均為鍛造過(guò)程 中產(chǎn)生的應(yīng)變線。

1.3 TC2導(dǎo)向葉片表面的富鈦偏析 

TC2低壓進(jìn)氣導(dǎo)向葉片經(jīng)機(jī)加工后進(jìn)行金相 檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在零件表面存在縱向的亮條缺陷,其宏 觀形貌如圖5所示,可見(jiàn)缺陷處組織較粗大,無(wú)機(jī) 械變形特征,缺陷區(qū)域的長(zhǎng)度約為35mm,寬度約 為5mm。

從 TC2低壓進(jìn)氣導(dǎo)向葉片截取試樣,沿葉片橫 截面制樣,然后對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖6所 示。由圖6可知,缺陷處的組織與正常區(qū)域的組織 存在明顯差異,缺陷處的組織深度為0.3mm,為粗 大的α晶粒組成的貧β相區(qū)。 

分別對(duì) TC2低壓進(jìn)氣導(dǎo)向葉片亮條缺陷處和 周圍正常區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,結(jié)果顯示缺陷處 顯 微 硬 度 為 245 HV,正 常 區(qū) 域 顯 微 硬 度 為 274HV,缺陷處顯微硬度略低于周圍正常區(qū)域。 

采用電子探針對(duì) TC2低壓進(jìn)氣導(dǎo)向葉片亮條 缺陷處和周圍正常區(qū)域進(jìn)行成分分析,發(fā)現(xiàn)缺陷處 鈦元 素 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 94.50%,鋁 元 素 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 4.67%,而 周 圍 正 常 區(qū) 域 的 鈦 元 素 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 91.66%,鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.83%,判斷亮條缺陷 屬于富鈦偏析。這種缺陷的形成與原材料的冶煉過(guò) 程有關(guān),在合金熔煉時(shí),合金元素?cái)U(kuò)散不充分,局部 形成富集或貧化,導(dǎo)致元素偏析。改進(jìn)原材料的冶 煉工藝可以避免產(chǎn)生這種偏析缺陷。

1.4 TC6鍛造葉片的β斑 

TC6鍛造葉片經(jīng)機(jī)械加工后進(jìn)行金相檢驗(yàn),發(fā) 現(xiàn)零件表面存在暗條缺陷,其宏觀及顯微組織形貌 如圖7所示,可見(jiàn)暗條缺陷處初生α相含量明顯低 于周圍正常區(qū)域。

對(duì) TC6鍛造葉片進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)暗條 缺陷處顯微硬度為289HV,周圍正常區(qū)域顯微硬 度為311HV,暗條缺陷處顯微硬度略低于周圍正 常區(qū)域。

采用電子探針對(duì) TC6鍛造葉片暗條缺陷處和 周圍正常區(qū)域進(jìn)行成分分析,發(fā)現(xiàn)缺陷處鉬元素質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為4.12%,周圍正常區(qū)域鉬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.78%,缺陷處鉬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于周圍正常 區(qū)域。當(dāng)β相穩(wěn)定元素釩、鉬等發(fā)生偏析后,降低了 偏析區(qū)域的相變溫度,合金在加熱時(shí)易優(yōu)先發(fā)生 α 相向β相轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生暗條缺陷,即所謂的β斑。這種 缺陷的形成同樣與原材料冶煉過(guò)程有關(guān),可以采用 改進(jìn)原材料冶煉工藝的方法來(lái)避免產(chǎn)生這種偏析 缺陷。

1.5 TC6葉片釬焊和拋光后的燒傷 

某批次 TC6葉片在阻尼臺(tái)上釬焊耐磨硬質(zhì)合 金塊后,發(fā)現(xiàn)阻尼臺(tái)附近的葉身表面出現(xiàn)了“白斑” 形貌(見(jiàn)圖8)。對(duì)“白斑”區(qū)域及周圍正常區(qū)域進(jìn)行 金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:在顯微鏡 下無(wú)論如何調(diào)焦,“白斑”區(qū)域的組織均模糊不清;周 圍正常區(qū)域的顯微組織為雙態(tài)組織。 

對(duì)釬焊后的 TC6葉片進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,發(fā)現(xiàn) “白斑”區(qū)域的顯微硬度為363 HV,周圍正常區(qū)域 的 顯微硬度為318HV,“白斑”區(qū)域的顯微硬度明 顯高于周圍正常區(qū)域,表明“白斑”缺陷是因焊接燒 傷而形成的。

某批次 TC6葉片在拋光后發(fā)現(xiàn)“白斑”形貌(見(jiàn) 圖10)。對(duì)“白斑”區(qū)域和周圍正常區(qū)域進(jìn)行金相檢 驗(yàn),結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,“白斑”區(qū)域和 周圍正常區(qū)域均為等軸組織。

對(duì)拋光后的 TC6葉片進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,發(fā)現(xiàn) “白斑”區(qū)域的顯微硬度為313 HV,周圍正常區(qū)域 的顯微硬度為347HV,“白斑”區(qū)域的顯微硬度低 于周圍正常區(qū)域。鈦合金導(dǎo)熱性差,故鈦合金葉片 在拋光時(shí),如果操作不當(dāng),很容易造成零件表面產(chǎn)生 的熱量不能及時(shí)傳導(dǎo),使零件小范圍內(nèi)溫度升高而 形成拋光燒傷,較輕微的僅有表面燒傷,嚴(yán)重時(shí)會(huì)形 成穿透性燒傷。 

1.6 TC6葉片表面α層導(dǎo)致加工時(shí)發(fā)生斷裂

α層是富集氧、氮、碳元素的穩(wěn)定表面層,是一 種硬脆相,一般認(rèn)為其是有害相。 

某批次 TC6鈦合金葉片在銑榫頭裝夾過(guò)程中, 多件葉片發(fā)生斷裂,葉片斷裂處剛好位于夾具和葉 片的接觸點(diǎn)。葉片斷口的宏觀及微觀形貌如圖12 所示,可見(jiàn)葉片斷裂起源于葉背的裝夾接觸點(diǎn),斷口 源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷,呈沿晶脆斷特征。

從葉片斷口截面處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),可見(jiàn)葉背 表面有多處微裂紋,裂紋內(nèi)部未見(jiàn)氧化特征[見(jiàn)圖 13a)],葉背近表面可見(jiàn)α層,微裂紋均在α層之內(nèi)[見(jiàn) 圖13b)]。葉片在裝夾過(guò)程中夾具與葉片的接觸點(diǎn)容 易產(chǎn)生應(yīng)力集中,又因α層具有硬而脆的特性,故在應(yīng) 力作用下容易萌生微裂紋,最終導(dǎo)致葉片斷裂。

2 綜合分析

2.1 常見(jiàn)缺陷的分類與特點(diǎn) 

鈦合金常見(jiàn)缺陷主要有3大類,包括冶金缺陷、 工藝缺陷和表面缺陷。 

冶金缺陷一般包括金屬夾雜、非金屬夾雜、化學(xué) 成分偏析和孔洞等[8],這類缺陷在發(fā)生位置上一般 是局部的,且形態(tài)不一,可能是塊狀、點(diǎn)狀、線狀或條 狀;工藝缺陷產(chǎn)生的范圍則相對(duì)較廣,在鍛造、鑄造、 焊接、熱處理、電加工、機(jī)械加工中都有可能產(chǎn)生,其 形態(tài)也各 不 相 同,需 要 在 日 常 檢 驗(yàn) 過(guò) 程 中 多 加 鑒 別[9] ;表面缺陷主要是因鈦合金化學(xué)活性較高,容易 與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的,其中危害最大 的是氧、氮、氫等氣體的污染,這類氣體污染都會(huì)導(dǎo) 致鈦合金的硬度增加,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也經(jīng)常出 現(xiàn)表面缺陷,比如刮碰、操作失誤等造成的鈦合金零 件表面凹陷、裂紋、尺寸超差等[10],這類表面缺陷基 本都伴隨著宏觀塑性變形,且缺陷表面都能看到明 顯的金屬光澤。

2.2 常見(jiàn)鍛造缺陷及其鑒別

鈦合金的鍛造缺陷主要有折疊、裂紋、變形不均 勻等[6-7]。一般情況下,鍛造形成的折疊或裂紋內(nèi)部 有氧化物夾雜,特點(diǎn)是裂紋兩側(cè)呈現(xiàn)白亮帶,組織為 富氧的α層,β層則相對(duì)較少。變形不均勻的產(chǎn)生 原因?yàn)?鈦合金存在著嚴(yán)重的黏模現(xiàn)象,尤其是當(dāng)模 具表面粗糙度大或潤(rùn)滑不良時(shí),都會(huì)阻礙金屬流動(dòng),造成鍛件表面與內(nèi)部變形的不均勻;鈦合金導(dǎo)熱性 差,鍛件內(nèi)部溫度不均勻,高溫區(qū)易變形,低溫區(qū)難 變形,導(dǎo)致了變形的不均勻。變形不均勻會(huì)導(dǎo)致鍛 件的晶粒度不同,變形量大的部位晶粒細(xì)小,反之晶 粒較大,變形不均勻還會(huì)導(dǎo)致鍛件的初生α相含量 有所差別,高溫區(qū)初生α相較低溫區(qū)要少一些。

對(duì)于圓餅形模鍛件,當(dāng)其變形量較大時(shí),鍛件的 軸徑向剖面經(jīng)低倍腐蝕后可見(jiàn) X 型應(yīng)變線,可將其 分為劇烈變形區(qū)、一般變形區(qū)和變形死區(qū),對(duì)應(yīng)的顯 微組織和性能亦有差別;而對(duì)于較薄的模鍛件,如葉 片類零件,這種應(yīng)變線會(huì)暴露在表面,腐蝕后可見(jiàn)沿 縱向的亮條或暗條,這是經(jīng)劇烈變形細(xì)化后組織的 特征。一般來(lái)說(shuō),這種輕微應(yīng)變線所形成的亮條或 暗條對(duì)零件的使用性能影響不大,不作為組織缺陷 處理,但在對(duì)其進(jìn)行判斷時(shí),要注意與成分和組織偏 析所形成的亮條缺陷區(qū)分開(kāi)來(lái),避免誤判。 

3 結(jié)語(yǔ)與建議 

從上述案例分析結(jié)果可知,在實(shí)際制造過(guò)程中, 鈦合金在金相檢驗(yàn)中的常見(jiàn)缺陷主要有清晰晶、應(yīng) 變線、偏析(富鈦、β斑)、α層以及焊接、磨削和拋光 等產(chǎn)生的過(guò)熱過(guò)燒等,這些缺陷有因熱加工過(guò)程操 作不當(dāng)而導(dǎo)致的,也有原材料遺留下來(lái)的,還有加工 制造過(guò)程中因參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生的。 

原材料缺陷可以由加強(qiáng)冶煉工藝控制來(lái)從源頭上避免,而制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的缺陷則需要考慮工藝 是否安排恰當(dāng),或者工藝參數(shù)是否合理,從這些方面 的改進(jìn)來(lái)避免缺陷的發(fā)生。

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 9期 (pp:14-19)>