引言

Ti80（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）是(shi)一種綜合性能良好的(de)α+β兩相鈦合金(jin)，由于其良好的(de)耐蝕(shi)性、強韌性、無磁性與(yu)可(ke)焊(han)性等優勢，Ti80合金(jin)已廣泛應(ying)用(yong)于深(shen)潛器與(yu)艦船[1-3]。

Ti80合金在(zai)服(fu)(fu)役時長期浸泡在(zai)海(hai)水中，且會(hui)受(shou)海(hai)浪(lang)及(ji)海(hai)上漂浮物的(de)沖刷和撞擊(ji)，承受(shou)巨(ju)大的(de)沖擊(ji)載荷作(zuo)用，這對(dui)(dui)材(cai)(cai)料性(xing)能要求非常(chang)高(gao)。如(ru)果(guo)服(fu)(fu)役材(cai)(cai)料微區(qu)成(cheng)分(fen)不均勻，必然會(hui)引起宏觀及(ji)顯微組織的(de)異常(chang)，而這種異常(chang)會(hui)使(shi)材(cai)(cai)料在(zai)整體上表(biao)現(xian)為性(xing)能不均勻，最(zui)終萌生疲勞裂紋源，降低使(shi)用壽命，對(dui)(dui)艦船的(de)安全性(xing)也是(shi)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(qing)況，并對其進行了分析與判定，旨(zhi)在為提高生(sheng)產質(zhi)量，為檢驗提供借(jie)鑒。

1、 實驗與方法

1.1 實驗材料

筆(bi)者在(zai)對某Ti80鈦(tai)合(he)金(jin)棒料進行(xing)低倍觀(guan)察時發現數個形狀(zhuang)不規則的(de)(de)黑斑。如圖1所示，推斷為(wei)(wei)冶金(jin)缺(que)陷。為(wei)(wei)準確(que)判(pan)定(ding)缺(que)陷類型(xing)，進一步分析(xi)缺(que)陷產生的(de)(de)原因(yin)，從而為(wei)(wei)提高(gao)產品質(zhi)量提供幫助，本(ben)文對該Ti80鈦(tai)合(he)金(jin)產品進行(xing)了進一步檢測分析(xi)。

該棒材原(yuan)料按標準(zhun)要求配料，經(jing)三次真空自耗電弧(hu)爐熔煉，制成鑄錠，取樣分析化(hua)學成分，結(jie)果如表1所(suo)示。該結(jie)果符合(he)技(ji)術(shu)協議要求，說明整批材料的化(hua)學成分沒有問題。

然后鈦(tai)合(he)金鑄錠在相變點(dian)以上開坯(pi)，下(xia)料(liao)后，再(zai)經過(guo)(guo)多次(ci)墩拔鍛造，加工成成品(pin)前(qian)坯(pi)料(liao)，最后在相變點(dian)以下(xia)成型，制成成品(pin)鈦(tai)合(he)金棒(bang)(bang)材(cai)毛坯(pi)料(liao)，經扒皮，拋(pao)光，最后為成品(pin)棒(bang)(bang)材(cai)。送檢(jian)時，任取一支棒(bang)(bang)材(cai)下(xia)料(liao)取樣，檢(jian)查低倍橫截面。鍛造生產過(guo)(guo)程(cheng)均符合(he)要(yao)求。

1.2 實驗儀器

用(yong)ZEISS Observer.A1m光學金(jin)相顯(xian)微(wei)鏡(jing)觀察(cha)棒(bang)材顯(xian)微(wei)組織。用(yong)JSM-6460鎢燈絲掃描電子顯(xian)微(wei)鏡(jing)進行微(wei)區成分分析。用(yong)401MWD顯(xian)微(wei)硬(ying)度(du)計進行顯(xian)微(wei)硬(ying)度(du)測(ce)試(shi)。

2、 結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見，Ti80鈦(tai)合金(jin)正常區域的(de)顯(xian)微組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)為(wei)α+β兩相區加工的(de)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，所有原始(shi)β晶界(jie)充分破碎，是典型的(de)雙(shuang)態組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)；初生α含量約60%。黑(hei)斑缺(que)陷(xian)區域的(de)顯(xian)微組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)為(wei)近β或β相區加工組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，無初生α相，為(wei)魏氏組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，這與鈦(tai)合金(jin)中“β斑”的(de)缺(que)陷(xian)類型相似。因(yin)此，從顯(xian)微組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)結果我們初步判定黑(hei)斑缺(que)陷(xian)區為(wei)偏析區域。

2.2 微(wei)區成分分析

用(yong)顯微組(zu)織檢驗完(wan)畢的試樣(yang)切(qie)取其中包(bao)含正常區(qu)和缺陷區(qu)的一(yi)小塊作為掃描電鏡(jing)試樣(yang)，進(jin)行區(qu)域標識，采用(yong)EDS（掃描電鏡(jing)的能(neng)譜(pu)儀）分別(bie)對正常區(qu)與缺陷區(qu)進(jin)行微區(qu)成分分析，并用(yong)SEM進(jin)行組(zu)織觀察，檢測區(qu)域如圖(tu)3所(suo)示，結果(guo)見表2，SEM觀察照(zhao)片(pian)見圖(tu)4。

表2中的(de)(de)(de)正常(chang)區域(yu)能譜(pu)分(fen)析結果驗證了整批(pi)材料化學成分(fen)的(de)(de)(de)檢測結果，整批(pi)材料的(de)(de)(de)化學成分(fen)是合(he)格(ge)的(de)(de)(de)。但(dan)是，在黑(hei)斑(ban)缺陷(xian)區域(yu)卻出現(xian)了明(ming)顯的(de)(de)(de)富鉬和貧鋁元素(su)的(de)(de)(de)情況，鈦元素(su)含量與正常(chang)區域(yu)接近。由此，我們判斷該(gai)Ti80合(he)金棒(bang)材為貧鋁型的(de)(de)(de)偏(pian)析。

2.3 硬度檢測

分別對缺陷區域和(he)正常區域進(jin)行顯微維氏硬度(du)測試。結果如表(biao)3所示。由表(biao)3可見(jian)，缺陷區域和(he)正常區域的硬度(du)值(zhi)未(wei)出現明顯偏(pian)差，缺陷處的硬度(du)也滿足(zu)技術(shu)要求，這(zhe)符合貧(pin)鋁(lv)型偏(pian)析的特點。

2.4 力學性能

該批Ti80鈦合金棒材的(de)力學(xue)性能(neng)如表4所示，均符合技術協(xie)議要(yao)求。

2.5 超聲檢測

除上述方法外，還(huan)對黑斑(ban)區域(yu)進(jin)行(xing)了超聲檢測(ce)，經掃查發現最高(gao)一處(chu)異(yi)常(chang)反射(she)波(bo)(bo)(bo)如圖5所示。從(cong)圖中可(ke)以看(kan)出該棒材試樣超聲探(tan)傷雜(za)波(bo)(bo)(bo)高(gao)度約10%屏幕，異(yi)常(chang)組織(zhi)波(bo)(bo)(bo)高(gao)約20%屏幕，該異(yi)常(chang)波(bo)(bo)(bo)的(de)當(dang)量為?1.2-21dB。該異(yi)常(chang)組織(zhi)通(tong)過超聲檢測(ce)的(de)方式只能夠發現很微弱的(de)反射(she)波(bo)(bo)(bo)，與正常(chang)組織(zhi)的(de)雜(za)波(bo)(bo)(bo)之間較難區分。因此，用超聲波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷無法檢測(ce)該缺(que)陷(xian)。

2.6 討論

綜合上述檢測結果，可(ke)以判斷該黑斑缺陷為(wei)β斑。

從(cong)微區(qu)成(cheng)分結果(guo)可(ke)(ke)以(yi)(yi)看出，Mo、Ni、Zr元(yuan)(yuan)素含量在(zai)β斑區(qu)和異常(chang)區(qu)均無較(jiao)大差異，Al元(yuan)(yuan)素含量在(zai)β斑區(qu)與正常(chang)區(qu)存在(zai)顯著差別(bie)，Al元(yuan)(yuan)素為α穩定元(yuan)(yuan)素，β斑區(qu)Al元(yuan)(yuan)素含量明顯偏(pian)低，因此可(ke)(ke)以(yi)(yi)判定此β斑區(qu)為貧(pin)鋁的(de)成(cheng)分偏(pian)析。

由于Al元素為(wei)α穩(wen)定元素，Al含(han)量(liang)的(de)偏(pian)(pian)低(di)(di)就會造成(cheng)該區域(yu)的(de)相變溫度(du)(du)(du)比正(zheng)常(chang)(chang)區域(yu)的(de)相變溫度(du)(du)(du)偏(pian)(pian)低(di)(di)，基于兩相區雙(shuang)重熱處理(li)后得到(dao)的(de)顯微組織可(ke)知，該區域(yu)與正(zheng)常(chang)(chang)區的(de)相變點差異(yi)應大于30℃。因此，Al含(han)量(liang)偏(pian)(pian)低(di)(di)區域(yu)在熱處理(li)過(guo)程中由于整體溫度(du)(du)(du)高于本區域(yu)的(de)相變溫度(du)(du)(du)，導致Al含(han)量(liang)偏(pian)(pian)低(di)(di)區域(yu)的(de)初(chu)生α相完全轉變為(wei)β相，最終形成(cheng)β斑。

根(gen)據此β斑的(de)(de)表現(xian)特點，產(chan)生(sheng)的(de)(de)可(ke)能原因是Al中間合金部(bu)(bu)分(fen)顆粒過大(da)，經(jing)過三次(ci)VAR熔煉，未(wei)能充分(fen)熔化均勻，造成(cheng)Al元素分(fen)布不均。而且(qie)此β斑分(fen)布的(de)(de)情況可(ke)推(tui)演出，此β斑并非聚集于鑄(zhu)錠的(de)(de)心部(bu)(bu)，應該(gai)是離散性的(de)(de)分(fen)布于鑄(zhu)錠的(de)(de)各個(ge)部(bu)(bu)位，且(qie)密度大(da)[5,6]。

為了消除此類缺陷，建議在Ti80鈦(tai)合金熔煉(lian)過程中(zhong)(zhong)，控制(zhi)好(hao)海綿鈦(tai)粒度與中(zhong)(zhong)間合金的均勻性(xing)以(yi)及混(hun)料時(shi)化學成分的均勻性(xing)。

3 、結束語

經過顯微(wei)組織觀(guan)察、微(wei)區成分分析(xi)及(ji)掃描電鏡(jing)觀(guan)察和顯微(wei)硬(ying)度測試，確定該批Ti80鈦合金棒材為貧鋁型的(de)β斑。

建議在Ti80鈦合(he)金熔煉過程中(zhong)，控制好海綿鈦與(yu)中(zhong)間合(he)金粒度的(de)均勻性以(yi)及混料時化學成分(fen)的(de)均勻性。

參考文獻

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