TC4鈦合金棒材成分偏析組織的分析與判定

1、前言

TC4鈦合金是目前用途最廣、用量最大的兩相鈦合金。由于該合金具有中等強度、適中的塑性、優(yōu)異的抗疲勞和抗裂紋擴展能力，以及良好的耐腐蝕性能。可用做宇宙飛船的船艙骨架、導彈上的壓力容器、火箭發(fā)動機殼體，還可用做450℃以下使用的噴氣發(fā)動機壓氣機葉片和渦輪盤等。

對于象TC4合金這樣的α+寶鈦型雙相鈦合金而言，由于成分不均勻，必然會引起金相組織不均勻，導致偏析區(qū)與正常區(qū)硬度出現(xiàn)明顯差異。材料硬度不均必然會使材料在體積范圍內性能不均勻，最終成為疲勞裂紋萌生源，降低該合金使用壽命。

據(jù)資料報道，按成分偏析部位硬度的高、低分類，可將其分為硬偏析(硬度高于基本組織，也叫脆性偏析)和軟偏析(硬度低于基本組織)2種。如果制品中僅存在軟偏析缺陷，機械性能和化學成分符合標準要求，切除偏析后仍可交貨使用。完全可以滿足使用要求。本研究探討了TC4合金鍛棒偏析組織的分析與判定方法，旨在為TC4合金鍛棒的批量化生產提供準確的檢驗方法，從而保證材料的正確、合理使用。

2、實驗

2.1實驗材料及方法

實驗用棒材由寶雞鈦業(yè)股份有限公司提供。

按著TC4鈦合金的名義成配料，經真空自耗電弧爐3次熔煉，制取φ622mm鑄錠，并取樣分析化學成分，結果見表1，符合GB／T3620國家標準。鑄錠加熱到相變點以上，進行大變形量的鍛造變形，并在兩相區(qū)反復鍛造成φ30mm成品棒材。在棒材上切取試樣，進行成分偏析異常組織的分析。

2.2實驗設備

用國產XJG一05金相顯微鏡觀察棒材的組織。

用國產MVK200g／30”顯微硬度計測試樣品的硬度。在飛利浦PSEM一500xSEMEDAX掃描電鏡上進一步比較缺陷部位和正常部位的組織，并測試其化學成分。

3、實驗結果與分析

3.1低倍組織觀察結果

根據(jù)經驗，在TC4鈦合金棒材可能出現(xiàn)成分偏析的部位橫向切取試樣，經拋光后，在按一定比例配制的腐蝕液中進行腐蝕，觀察低倍組織，結果見圖1。

由圖1可見，在棒材橫截面上的中心部位有幾處明顯的黑斑，初步可判定為成分偏析組織。

如果是硬偏析組織，該棒材就要報廢；如果是軟偏析組織，切除后該棒材仍可交付使用。

3.2高倍組織觀察結果

在低倍組織觀察的基礎上，對黑斑處進行進一步研磨和拋光，然后在配制好的腐蝕液中腐蝕，在顯微鏡上進行高倍組織觀察。其偏析區(qū)及過渡區(qū)的顯微組織如圖2。

由圖2可知，棒材缺陷區(qū)(圖2a)的顯微組織與正常區(qū)(圖2b)的顯微組織明顯不同。偏析區(qū)相含量高，僅有少量的β相。

3.3偏析區(qū)和基本硬度測試結果

TC4合金棒材偏析區(qū)和正常組織區(qū)顯微硬度

測試結果見表2。

由表2可知，該TC4合金棒材偏析區(qū)的維氏硬

度要比正常區(qū)低，為軟偏析。

3.4正常區(qū)和偏析區(qū)掃描電鏡分析結果

對該TC4合金棒材的缺陷區(qū)和正常區(qū)進行了EDS成分分析和SEM觀察，結果見表3和圖3。

SEM的分析結果表明，與正常區(qū)相比，缺陷區(qū)的鈦含量偏高，釩含量偏低，進一步證實該TC4合金棒材的偏析為富鈦型的軟偏析。

4、結論

(1)經高低倍金相觀察，硬度測試和掃描電鏡觀察及EDS分析，確定該批TC4合金棒材為富鈦型的非脆性偏析

(2)如果該批TC4合金棒材的化學成分和機械性能均符合訂貨標準要求，切除偏析部分可交貨使用。

參考文獻

[1]CaoChunxiao(曹春曉)．鈦合金在大型運輸機上的應用

RareMetalsLette(稀有金屬快報)，2006，25(1)：1721

[2]TheEditorialGroupofProcessingHandbookforRareMetals

(稀有金屬加工手冊編輯組)．ProcessingHandbookofRareMe(稀有金屬加工手冊)[IⅥ】．Beijing：MetallurgicalIndustryPress，1984

[3]TaoChunhu(陶春虎)．FailureandPreyentionofAemnauticalTitaniumAlloy~航空用鈦合金的失效及其預防)[1Ⅵ】．Beijing：NationalDefeneeIndustryPress，2002

[4] ZhangXiyan(張喜燕)．TitaniumAlloysandItsapplication

(鈦合金及應用)[M】．Beqing：ChemicalIndustryPress，2005