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鈦材料冶金缺陷

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發表時間:2017-11-25 15:04

鈦材料冶金缺陷

在鈦材料的錠、坯和制品中,由于冶金的原因而形成的缺陷。一般分為內部缺陷和表面缺陷。內部缺陷包括夾雜、偏析、分層、內部裂紋、疏松、縮孔、組織不均勻、組織粗大、過熱等。表面的缺陷有裂紋、起皮、折疊、劃傷、壓坑、表面污染層等。上述缺陷,有些在隨后的壓力加工或熱等靜壓處理中是可以消除的,有些是不能消除的。零件的工作條件不同,對材料的要求也不同,同樣的缺陷,對于重要用途的航空、航天用材,要受到更嚴格的控制。根據鈦材料的特性,主要有夾雜、偏析和組織不均勻、組織粗大等幾種缺陷。

夾雜      

錠、坯和制品中沒完全熔化的顆粒。分為金屬夾雜和非金屬夾雜。

(1)金屬夾雜。主要是沒完全熔化的高熔點金屬或固溶體,例如鎢、鉬以及硬質合金刀頭等碎塊。這種夾雜不易被鈦合金常用的一般腐蝕劑腐蝕。金屬夾雜通常在材料隨后的機加工過程中暴露出來。這類缺陷可以用超聲探傷、X光探傷和高低倍組織檢驗方法進行檢查。金屬夾雜的產生,源于電極制備過程。它的產生原因可能是:由于配料時高熔點組元合金料的加入方法不合適,也可能是電極中混入了難熔金屬塊,或者是混入了粘有硬質合金刀頭碎塊的車屑;若在電極焊接時采用鎢極氬弧焊,掉落在電極上的鎢極碎塊也會形成金屬夾雜。因此必須嚴格控制電極制備過程,包括采用合理的中間合金配料并控制其粒度;加強原料管理,避免異物混入;電極焊接采用等離子焊接等其他焊接方法;車屑破碎后用強磁選的方法去除硬質合金刀頭碎塊,加強對返回料的管理和檢驗等。

(2)非金屬夾雜。主要是氧化物或氮化物等的不熔塊。在金相試樣上表現為光亮的點狀、條狀。常伴隨以材料的不連續性。這類夾雜脆性大,變形過程中在缺陷部位易產生疏松、空穴、分層或裂紋,其形態與α 層相似,并逐漸過渡到材料的正常組織。這類缺陷可用超聲探傷、高低倍組織檢驗方法進行檢查。非金屬夾雜的產生也與電極制備過程有關,在制備電極時,混入了海綿鈦的燃燒顆粒和氧化顆粒,或者混入了中間合金的渣塊,使用了不合格的返回料等。為避免非金屬夾雜,必須嚴格控制海綿鈦、中間合金和返回料的質量,必要時可用人工篩選,同時防止電極焊接時的氧化對減少非金屬夾雜的產生也是很重要的。金屬夾雜和非金屬夾雜影響力學性能,在變形和使用過程中容易引起裂紋,因此對航空、航天用材料其組織中不允許有肉眼可見的夾雜。


偏析      

產品中合金元素含量不正常的區域。因而這些區域的α相與β相的量與基體有明顯的差別。鈦金屬熔煉采用真空自耗熔煉方法,邊熔化邊凝固,因此其化學成分的不均勻是不可避免的。構成缺陷的偏析是指具有一定尺寸的區域內某個合金元素貧乏或富集,或者是雜質元素氧、氮、碳等的富集。偏析在低倍組織中表現為有明顯的粗大晶粒群、點狀組織或帶狀組織等異常腐蝕區。在高倍組織中有嚴重不等的晶粒、不同的組織形態或腐蝕程度不同的區域。它可分為以下兩種類型:

(1)金相試樣上有弱腐蝕區(亮條、亮斑),一般為α相富集區。它可能是由于富α穩定元素(鋁等)而形成的,也可能是由于氧氮等氣體雜質含量高而形成的區域。富鋁、富氧、富氮的區域,其顯微硬度明顯高于基體,屬于脆性偏析。還有貧合金元素的區域也是弱腐蝕區,其成分、顯微硬度和組織均與純鈦相近。

(2)金相試樣上有深腐蝕區(黑斑),黑斑內α相較少,甚至沒有,故一般稱為β斑。富β穩定元素區內β轉變溫度較正常區域為低,因此在熱加工和熱處理過程中該區提前發生β轉變,從而出現β斑。


偏析這類缺陷可以用高低倍組織檢驗的方法進行檢查,對某些聲阻抗與基體相差較大的偏析,在超聲探傷時也可以檢查出來。脆性偏析一般是不允許的,其他鈦la偏析允許切除偏析部分并檢驗相應的兩端面后使用。要消除或減少偏析,需從電極制備和熔煉工藝兩方面著手,包括加強原料的管理,控制原料(海綿鈦、合金元素、中間合金、返回料)的粒度,提高混料均勻性,控制電極密度,防止其在熔煉過程中出現掉塊而造成成分不均;選擇合理的熔煉工藝,適當增加熔煉次數,可減少夾雜和偏析區的尺寸。

組織不均勻、組織粗大       組織不均勻表現為半成品中各部位的組織粗細不等,在細晶組織基體上有粗晶區,或相反,在粗晶組織上有細晶區,局部區域出現條塊狀α相和條帶狀組織等。組織粗大在高倍組織表現為粗大晶粒、過熱組織、殘留原始β晶界等。而在低倍組織上,則有明顯的肉眼可見清晰晶粒。偏析和壓力加工規范選擇不當,都會使坯料產生組織不均勻,由偏析造成的組織不均,在隨后的壓力加工中是不可能消除的。由加工引起的組織不均勻,反映在低倍上,是腐蝕性照明效果不同的帶或區域。例如最常見的“鍛造十字架”。加工中由于坯料與工模具接觸的部位表面溫度較低,存在摩擦等原因形成難變形區,在十字架上即沿坯料45。方向上,形成大變形的剪切帶,是金屬局部劇烈流動的結果,低倍組織腐蝕后顯示為暗線。如果鍛造溫度偏高,變形量過大,則在中部區域可能產生局部過熱組織。


組織不均勻、組織粗大等組織缺陷可通過探傷或高低倍組織檢驗進行檢查。對于鈦材料,由加工造成的組織不均勻和組織粗大,很難通過熱處理來改善,應選擇合理的加工工藝,使加工過程中制品各部位的變形量盡量均勻,也可在鍛坯上選用合適的涂層保溫和潤滑來減輕變形的不均勻性。若已出現了上述組織缺陷,


低倍組織中明顯的粗大晶粒,可通過均勻化處理、形變熱處理等方法消除,也可通過在α+β相區施以大變形量來改善組織。嚴重的組織不均和組織粗大會造成材料的綜合性能下降,因此對于航空用材是不允許的。


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