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(qiáng)度、適中的塑性、優(yōu)異的抗疲勞和抗裂紋擴(kuò)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(dǎo)彈上的壓力容器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，還可用做450℃以下使用的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片和渦輪盤等。

對(duì)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(huì)引起金相組織不均勻，導(dǎo)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(huì)使材料在體積范圍內(nèi)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(bào)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(jī)械性能和化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)提供準(zhǔn)確的檢驗(yàn)方法，從而保證材料的正確、合理使用。

2、實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)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(jīng)真空自耗電弧爐3次熔煉，制取φ622mm鑄錠，并取樣分析化學(xué)成分，結(jié)果見表1，符合GB／T3620國家標(biāo)準(zhǔn)。鑄錠加熱到相變點(diǎn)以上，進(jìn)行大變形量的鍛造變形，并在兩相區(qū)反復(fù)鍛造成φ30mm成品棒材。在棒材上切取試樣，進(jìn)行成分偏析異常組織的分析。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

用國產(chǎn)XJG一05金相顯微鏡觀察棒材的組織。

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

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1低倍組織觀察結(jié)果

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(jīng)拋光后，在按一定比例配制的腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，觀察低倍組織，結(jié)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(bào)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(jié)果

在低倍組織觀察的基礎(chǔ)上，對(duì)黑斑處進(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(jié)果

TC4合金棒材偏析區(qū)和正常組織區(qū)顯微硬度

測試結(jié)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(jié)果

對(duì)該TC4合金棒材的缺陷區(qū)和正常區(qū)進(jìn)行了EDS成分分析和SEM觀察，結(jié)果見表3和圖3。

SEM的分析結(jié)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(jìn)一步證實(shí)該TC4合金棒材的偏析為富鈦型的軟偏析。

4、結(jié)論

(1)經(jīng)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(xué)成分和機(jī)械性能均符合訂貨標(biāo)準(zhǔn)要求，切除偏析部分可交貨使用。

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