TC18鈦合金名義成分為T(mén)i-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，是由全俄航空材料研究院于20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的一種典型的近β型高強(qiáng)度高韌性鈦合金，其突出特點(diǎn)是在退火狀態(tài)下具有較高強(qiáng)度，并且具有良好的淬透性［1］，該特點(diǎn)使得TC18鈦合金非常適合制造飛機(jī)大型承力構(gòu)件。

TC18鈦合金中合金元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高達(dá)17%，高熔點(diǎn)難熔金屬M(fèi)o含量為5%，易偏析合金元素Fe含量為1%，這些金屬的結(jié)晶特性不同，因此對(duì)該合金的熔煉和合金成分均勻性控制帶來(lái)極大困難。“黑斑”類(lèi)特征是TC18鈦合金中的一種少見(jiàn)的缺陷，有研究認(rèn)為該缺陷產(chǎn)生于鍛造過(guò)程中的再結(jié)晶控制過(guò)程［2］，也有研究認(rèn)為該類(lèi)缺陷來(lái)自于熱變形過(guò)程中的組織不均勻現(xiàn)象［3］或鑄錠熔煉過(guò)程中的成分不均勻［4－5］。可見(jiàn)黑斑特征的成因多且復(fù)雜，本工作則對(duì)TC18鈦合金中的黑斑特征進(jìn)行全面的剖析并分析其形成機(jī)理。

1、鈦合金中的黑斑特征簡(jiǎn)介

TC18黑斑特征并不是典型的低倍缺陷，其主要特征是在低倍片上存在不規(guī)則分布的黑斑。從形貌分析看，受實(shí)際光照觀測(cè)條件影響，經(jīng)常會(huì)和表面臟污、不均勻晶粒等其他原因的缺陷相混淆;從分析手段看，多集中于低倍目視觀察和高倍組織觀察，并輔以基本元素分析，往往不能分析出真實(shí)結(jié)果。

關(guān)于黑斑特征，在國(guó)標(biāo)GB/T5168—2008中的圖B.4α偏析(TC4)圖中可以看到非常類(lèi)似的形貌，特點(diǎn)都是黑斑，并且有類(lèi)似于沿原始β晶界分布的形貌［6］，如圖1所示。

2、黑斑特征的形成原因分析

2.1典型黑斑特征的形貌

在普通低倍試樣片上一般不會(huì)發(fā)現(xiàn)黑斑特征，該特征往往在空燒低倍試樣片上發(fā)現(xiàn)。TC18鈦合金常用標(biāo)準(zhǔn)中的空燒工藝一般為對(duì)厚度不超過(guò)20mm的樣品在Tβ以上10～20K加熱30min后空冷，并要求低倍組織上不應(yīng)有細(xì)晶帶、細(xì)晶環(huán)或粗細(xì)分明的分層組織。

根據(jù)以上工藝，設(shè)置相變點(diǎn)檢測(cè)為860℃(設(shè)備法，原理為相變時(shí)的膨脹系數(shù))的一爐TC18棒材的空燒低倍試樣片的空燒工藝為:加熱至(875±5)℃，保溫30min后空冷;到溫裝爐，到溫計(jì)時(shí)。目前文獻(xiàn)所述［7］，典型TC18鈦合金材料的成分如表1所示。上述工藝得到的空燒低倍試樣片表面宏觀形貌如圖2所示。從表面形貌中可以發(fā)現(xiàn)，黑斑區(qū)域不均勻地分布在樣品表面，與正常基體存在明顯邊界，邊界的走向與原始β晶界高度類(lèi)似。這種具有獨(dú)立邊界的形貌證明其組織形態(tài)或者成分分布具有不均勻性［8］。

2.2低倍黑斑特征分析

取黑斑處樣品觀察其金相組織，可見(jiàn)黑斑組織為細(xì)小的α+β轉(zhuǎn)變組織，正常區(qū)域?yàn)檎５摩戮Я＃鐖D3所示。因此可以判斷黑斑處的組織并未發(fā)生相變，值得注意的是某些文獻(xiàn)將這種現(xiàn)象稱(chēng)為未發(fā)生再結(jié)晶［2］，這里的再結(jié)晶指本應(yīng)發(fā)生的相變點(diǎn)以上的靜態(tài)再結(jié)晶，兩者含義基本一致。沒(méi)有發(fā)生相變的原因肯定與該處的相變點(diǎn)與正常區(qū)域不一致有關(guān)。

使用掃描電鏡對(duì)黑斑區(qū)域進(jìn)行二次電子形貌觀察，結(jié)果如圖4所示。二次電子形貌像中原黑斑特征顯示為亮色，主要由極細(xì)的α+β轉(zhuǎn)變組織組成;原正常區(qū)域反而顯示為暗色，同樣由α+β轉(zhuǎn)變組織組成。這種亮暗色的差異在于α含量和尺寸的差異，黑斑特征晶粒尺寸小，β相含量高，因此顏色更亮。

對(duì)多個(gè)黑斑特征位置進(jìn)行局部微區(qū)點(diǎn)分布成分統(tǒng)計(jì)和面成分分析，采用多次采樣取平均值的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析區(qū)域如圖4所示，點(diǎn)和面成分分析分別如表2和表3所示。從中可以看到黑斑區(qū)域和正常區(qū)域主要的α和β穩(wěn)定元素(Al、V、Cr、Fe和Mo)并不存在明顯差別，可以排除主要合金成分發(fā)生偏析的可能性。此外，黑斑特征處并沒(méi)有觀察到典型氫脆和氮化鈦夾雜的缺陷特征［9］。

掃描電鏡配備的能譜儀的成分分析精度一般為0.1%，但配備有波譜儀的電子探針成分分析精度比能譜分析高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá)0.01%，因此使用電子探傷對(duì)黑斑典型區(qū)域進(jìn)行成分分析，其分析區(qū)域和Cr、Al、Mo和O元素的面分布圖如圖5所示。從圖5中可見(jiàn)黑斑區(qū)域的Cr、Al、Mo這3種合金元素分布較為均勻，但黑斑特征處的O元素含量顯著高于基體。

鈦合金中的O元素主要分為內(nèi)生和外來(lái)帶入，內(nèi)生主要是指當(dāng)海綿鈦原料的氧含量低于需求值，此時(shí)會(huì)通過(guò)添加鈦白粉(主要成分為T(mén)iO2)的方式加入;外來(lái)帶入主要是指在真空自耗熔煉時(shí)發(fā)生異常致使大氣中的O元素進(jìn)入熔煉環(huán)節(jié)導(dǎo)致O含量增加。如果原因是后者，則增加的O元素必然聚集于外表面。因此黑斑特征中的O元素更可能與鈦白粉的添加方式有關(guān)。

由于電子探針沒(méi)有配備標(biāo)樣，采用波譜技術(shù)比值法來(lái)計(jì)算黑斑區(qū)域相變點(diǎn)。黑斑和基體O元素計(jì)數(shù)和比值分別如圖6和表4所示，黑斑特征O元素與正常區(qū)域計(jì)數(shù)比值為1.78∶1.00，正常區(qū)域計(jì)數(shù)設(shè)為鑄錠O元素含量為0.10%，則黑斑特征處O元素含量約為0.19%。使用相圖計(jì)算軟件Jmatpro分別計(jì)算其他元素相同條件下O元素含量分別為0.10%(正常區(qū)域)和0.19%(黑斑特征)的相變點(diǎn)。正常區(qū)域相變點(diǎn)為879℃，黑斑區(qū)域相變點(diǎn)高于正常區(qū)域19℃，為898℃，如圖7所示。

在2.1節(jié)已述該TC18鈦合金的相變點(diǎn)測(cè)試值為860℃，根據(jù)此值設(shè)定的空燒溫度為875℃，由于熱處理爐的爐溫均勻性為±10K，在實(shí)際空燒過(guò)程中最高溫度可達(dá)885℃，此時(shí)黑斑區(qū)域不會(huì)發(fā)生相變而正常區(qū)域卻可以發(fā)生相變。這與之前觀察到的組織形態(tài)完全吻合。并且可以判斷使用設(shè)備法測(cè)得的相變點(diǎn)低于真實(shí)值。

2.3相變點(diǎn)分析及驗(yàn)證

根據(jù)以上分析可以判斷計(jì)算出的相變點(diǎn)(879℃)與試驗(yàn)給出的相變點(diǎn)(860℃)相差近20K，據(jù)此對(duì)相變點(diǎn)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行了調(diào)查。使用設(shè)備法(原先測(cè)試設(shè)備)和金相法對(duì)該批棒材再次進(jìn)行相變點(diǎn)檢測(cè)，檢驗(yàn)結(jié)果表明采用儀器法測(cè)得的相變點(diǎn)為860℃，采用傳統(tǒng)金相法測(cè)得的相變點(diǎn)為878℃，據(jù)此可以判斷設(shè)備法檢測(cè)相變點(diǎn)確實(shí)低于正常值，具體原因與設(shè)備校準(zhǔn)，測(cè)試操作等多種因素有關(guān)。

為了進(jìn)行驗(yàn)證，取小樣品重新進(jìn)行低倍空燒試驗(yàn)。設(shè)置空燒溫度為905℃，其他工藝條件與之前工藝相同，結(jié)果如圖8所示。可以看到此時(shí)黑斑區(qū)域已經(jīng)完全消失。

3、結(jié)論

(1)黑斑特征的成因有多種類(lèi)型，本文中的黑斑特征由O元素分布不均勻所致，缺陷處的O元素成分偏高從而導(dǎo)致相變點(diǎn)升高至898℃。由于TC18鈦合金常規(guī)的兩相區(qū)鍛造溫度一般在β相變點(diǎn)以下(40～60)K，在此區(qū)間鍛造時(shí)缺陷區(qū)域的溫度尚未達(dá)到相變點(diǎn)，因此組織形態(tài)與正常區(qū)域有所區(qū)別。

(2)正常的元素偏析在金相組織觀察時(shí)存在一個(gè)大的分布范圍并有一定程度的擴(kuò)散區(qū)，而該黑斑特征的邊界較為清晰，這可能與鈦合金鑄錠生產(chǎn)過(guò)程中鈦白粉的加入方式所導(dǎo)致的元素局部不均勻有關(guān)。

(3)分析表明，采用設(shè)備法測(cè)得的相變點(diǎn)明顯偏低于正常值，在未解決設(shè)備法檢測(cè)相變點(diǎn)精度的問(wèn)題之前，目前應(yīng)以金相法來(lái)檢測(cè)鈦合金的相變點(diǎn)。

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