发布日期：2025-7-15 16:53:27
TC4钛合金是目前世界上使用量最大､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[1]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[2-3]，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。航空发动机叶片和涡轮盘，以及飞机 结构中的梁､接头和隔框等重要承力构件大多采用 TC4钛合金材料[4-5]。TC4钛合金用于承力､传动结 构等关键零件时，一般需进行锻造变形才能满足使 用要求[6]。为确保锻件内部无夹杂､偏析和气孔等 缺陷[7]，需要对锻件进行超声波探伤判定内部质量。 实际工业生产中，由于生产工艺不当，可能导致钛合 金锻件出现偏析､夹杂和开裂等缺陷，影响锻件的合 格率，降低生产效率，并且还可能会给后续的使用埋 下安全隐患。本试验针对某批有探伤缺陷的TC4钛 合金锻件进行检验，确定缺陷的性质和产生原因，并 提出生产加工过程中的改进措施，为钛材生产企业 调整生产工艺､优化生产过程提供参考。
1、试验材料及方法
试验材料为TC4钛合金锻件，成品规格为ϕ573 × 70mm，制备工艺流程:电极压制￫电极焊接￫真 空自耗炉熔炼的TC4钛合金三次熔炼制备铸锭(直 径为ϕ610mm)￫锻造(ϕ573× 70mm锻件)。对锻 件圆周方向上下距端面10mm处取表面丝､带样，使 用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP，InductivelyCou-pledPlasma)､氧氮分析仪(ONH，Oxygen-Nitrogen Analyzer)进行成分检测，并与国标TC4钛合金对比 成分差异。
使用手持式超声波探伤仪对锻件两端面进行全 面探伤，发现锻件有5个部位存在缺陷，如图1所 示。为了确定缺陷的确切位置，将超声波探头从 ϕ25mm更换为直径更小的ϕ12mm探头，并通过设 置灵敏度，确定了缺陷的位置和深度，然后通过线切 割对缺陷部位进行切割制样，加工成尺寸约15mm × 15mm× 4mm的薄片，通过对薄片进行磨制，查看 低倍组织，找出缺陷点，确定存在缺陷的金相试样， 进行金相､能谱､硬度检测和分析，确定缺陷的性质 及其产生原因。
试验所用的主要设备及部分参数如表1所示。
由于缺陷点较多，缺陷很小，线切割过程中容易 将缺陷切除。本次研究切出来两个典型缺陷试样，重点对缺陷明显的试样进行了详细检测及分析。
2、试验结果和分析
2. 1 成分检测
在锻件上下两端面附近取样，通过ICP和ONH 检测试样各项元素，结果见表2。结果显示各项成分 均符合国标TC4钛合金成分。
2. 2 低倍组织
对超声波探测缺陷明显部位进行切割镶嵌制样 (图2a)，使用磨抛机磨抛，肉眼观察到试样表面存 在直径约0. 1~ 1mm的异常黑点(见图2b)。
2. 3 高倍组织
对存在明显黑点的试样进行抛光，在显微镜下 观察黑点区域，结果见图3。从图3可见，黑点缺陷 周围存在细小裂纹。
使用体积分数5%HF+10%HNO,+85%H2O比例的腐蚀液对该试样进行腐蚀后，在显微镜下观 察，结果见图4。可以看出，缺陷周围的基体组织为 TC4钛合金等轴α 和β 组织，而缺陷点组织与基体 明显不同，两者之间存在分界面。
2. 4 扫描电镜及能谱分析
对上述试样缺陷区域进行电镜扫描，缺陷整体 情况如图5a所示，表面粗糙，不同于正常TC4钛合 金基体组织，属于异常组织。缺陷区域放大后如图 5b所示，缺陷处裂纹清晰可见，分析为锻造后产生的 裂纹。
进一步对该试样的A和B两个区域进行了能谱 点扫描，扫描点数分别为7个和8个，如图6所示。 能谱扫描后各点成分见表3､表4。
由表可知，缺陷部位的Al､O､C､N元素异常偏 高，其中区域A中4号点位置的O元素质量分数最 大达到了22.5%，同时Al元素最大质量分数也达到 24. 88%，而Ti元素仅为49. 67%。5号点的C元素 质量分数最大为3.03%ꎻ另外区域B中的6号点N元素的质量分数最大为1. 39%。A､B两个区域的V 元素均偏低，个别点未检测到V元素，这表明缺陷区 是一个复杂的氧化物，并且以上元素均超出了TC4 钛合金的国标成分范围。
同时对试样黑点区域进行了能谱面扫描和线扫 描，结果见图7和图8。通过比对缺陷扫描区域与元素分布情况，显示 除O元素明显集中富集在缺陷处外，C元素也存在一定的富集，其余元素Al､V､N､Fe富集不明显，这说 明缺陷处的O元素含量整体偏高(如图7b)，覆盖黑 点缺陷区域ꎻ从线扫描情况来看，扫描范围包括缺陷区与基体区，中间部位为缺陷区，曲线显示O元素的 分布情况与面扫结果相符，且C元素含量在缺陷区 存在一定的升高，基体区无明显的突变。
2. 5 硬度测试
对试样上黑点区域(如图1所示)和正常基体区 域进行硬度测试，加载压力10N､加载时间15s，共 测试4个点，黑点区域平均硬度HV1为303. 5，正常 基体区域平均硬度HV1为282。
黑点区域的平均硬度值比基体区域高。这是由 于杂质元素O､C含量高，导致缺陷区域硬度提高，这 与前面分析相符。
3、分析讨论
低倍组织中可见与基体明显不同的微小点状物，高倍显微组织中正常基体部位为 α+β 的等轴组织，缺陷部位组织异常，且硬度较高，内部存在点状物，与正常基体部分存在明显界面。缺陷处 O 元素和 Al 元素含量远高于基体的含量，基于这些特点，该缺陷比较符合非金属硬夹杂缺陷的特性，属于非金属夹杂缺陷。
由于铸锭中存在硬夹杂，因缺陷处的硬度值与基体存在较大差异，锻造中受力不同，在缺陷处产生微小裂纹和孔洞，在进行超声波探伤的时候出现缺陷波。
进一步的能谱分析检测结果表明，缺陷处的成分与基体的成分检测结果相比有较大区别，尤其是 O、C 元素，线扫描呈现 200~500μm 范围含量高，两端少的分布，这表明中间缺陷区域属于低密度偏析区域。这些元素的增加导致缺陷区的硬度升高变脆，综合判定此缺陷属于冶金缺陷，是由于熔炼生产过程中受到 O、C 等污染的钛块进入了 VAR 熔炼炉中，未充分扩散而形成了富氧的低密度偏析区域。生产中可能带入杂质的环节主要为原料挑选和电极焊接，如在电极压制中带入了污染的钛块，焊接过程中因保护不当导致焊疤氧化，熔炼中熔炼炉掉入的氧化物，均有可能带入夹杂。
Ti 的氧化物熔点约 1840℃，VAR 炉中熔池温度能达到 1800℃以上，很容易在 VAR 熔炼过程中溶解。因而钛的熔炼生产中一般不会形成钛的氧化物夹杂，但若局部氧含量过高，氧含量增高会导致等效铝含量的增大，此时富氧带周围易于形成相弥散析出。能谱扫描显示缺陷区域某些点的 O 和 Al 元素的含量远远高于缺陷区整体的含量，可能存在组织的析出，缺陷区域力学性能与 TC4 钛合金基体相比有很大区别，容易在后续锻造加工过程中出现裂纹和孔洞。由金相显示的裂纹可见，裂纹在缺陷区域分布零散，而能谱点扫显示杂
质元素分布存在不均匀，也说明缺陷为非金属夹杂冶金缺陷。
4、结论
1）TC4 钛合金锻件缺陷处元素分布不均，O、Al、C、N 等元素含量偏高，这是非金属夹杂冶金缺陷，是由于在铸锭熔炼生产中带入的氧化物而未充分扩散形成的，过高的氧会导致富氧带区域的等效铝含量的升高，从而析出脆硬化相，在后续锻造过程中因力学性能不同产生微裂纹，导致锻件探伤不合格。
2）针对 VAR 炉熔炼钛铸锭的生产过程，应严格控制原料的质量，电极压制前进行选料；焊接时焊疤氩气保护到位，高要求用途的可使用真空焊箱或炉内焊接工艺；熔炼前对炉室、辅助电极及坩埚整体清理。以上措施可以有效避免熔炼过程中形成夹杂，从而减少锻件缺陷。
参考文献
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[2] LUNT D，XU X，BUSOLOT，et al. Quantification of strain localisation in a bimodal two-phase titanium alloy [J]. Scripta Materialia，2018，145：45-49.
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