潛艇艦船用Ti80鈦合金棒材黑斑缺陷分析

引言

Ti80（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）是一種綜合性能良好的α+β兩相鈦合金，由于其良好的耐蝕性、強韌性、無磁性與可焊性等優勢，Ti80合金已廣泛應用于深潛器與艦船[1-3]。

Ti80合金在服役時長期浸泡在海水中，且會受海浪及海上漂浮物的沖刷和撞擊，承受巨大的沖擊載荷作用，這對材料性能要求非常高。如果服役材料微區成分不均勻，必然會引起宏觀及顯微組織的異常，而這種異常會使材料在整體上表現為性能不均勻，最終萌生疲勞裂紋源，降低使用壽命，對艦船的安全性也是極大隱患[4]。

本文探討了Ti80合金棒材低倍檢查中遇到的黑斑情況，并對其進行了分析與判定，旨在為提高生產質量，為檢驗提供借鑒。

1、 實驗與方法

1.1 實驗材料

筆者在對某Ti80鈦合金棒料進行低倍觀察時發現數個形狀不規則的黑斑。如圖1所示，推斷為冶金缺陷。為準確判定缺陷類型，進一步分析缺陷產生的原因，從而為提高產品質量提供幫助，本文對該Ti80鈦合金產品進行了進一步檢測分析。

該棒材原料按標準要求配料，經三次真空自耗電弧爐熔煉，制成鑄錠，取樣分析化學成分，結果如表1所示。該結果符合技術協議要求，說明整批材料的化學成分沒有問題。

然后鈦合金鑄錠在相變點以上開坯，下料后，再經過多次墩拔鍛造，加工成成品前坯料，最后在相變點以下成型，制成成品鈦合金棒材毛坯料，經扒皮，拋光，最后為成品棒材。送檢時，任取一支棒材下料取樣，檢查低倍橫截面。鍛造生產過程均符合要求。

1.2 實驗儀器

用ZEISS Observer.A1m光學金相顯微鏡觀察棒材顯微組織。用JSM-6460鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行微區成分分析。用401MWD顯微硬度計進行顯微硬度測試。

2、 結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見，Ti80鈦合金正常區域的顯微組織為α+β兩相區加工的組織，所有原始β晶界充分破碎，是典型的雙態組織；初生α含量約60%。黑斑缺陷區域的顯微組織為近β或β相區加工組織，無初生α相，為魏氏組織，這與鈦合金中“β斑”的缺陷類型相似。因此，從顯微組織的結果我們初步判定黑斑缺陷區為偏析區域。

2.2 微區成分分析

用顯微組織檢驗完畢的試樣切取其中包含正常區和缺陷區的一小塊作為掃描電鏡試樣，進行區域標識，采用EDS（掃描電鏡的能譜儀）分別對正常區與缺陷區進行微區成分分析，并用SEM進行組織觀察，檢測區域如圖3所示，結果見表2，SEM觀察照片見圖4。

表2中的正常區域能譜分析結果驗證了整批材料化學成分的檢測結果，整批材料的化學成分是合格的。但是，在黑斑缺陷區域卻出現了明顯的富鉬和貧鋁元素的情況，鈦元素含量與正常區域接近。由此，我們判斷該Ti80合金棒材為貧鋁型的偏析。

2.3 硬度檢測

分別對缺陷區域和正常區域進行顯微維氏硬度測試。結果如表3所示。由表3可見，缺陷區域和正常區域的硬度值未出現明顯偏差，缺陷處的硬度也滿足技術要求，這符合貧鋁型偏析的特點。

2.4 力學性能

該批Ti80鈦合金棒材的力學性能如表4所示，均符合技術協議要求。

2.5 超聲檢測

除上述方法外，還對黑斑區域進行了超聲檢測，經掃查發現最高一處異常反射波如圖5所示。從圖中可以看出該棒材試樣超聲探傷雜波高度約10%屏幕，異常組織波高約20%屏幕，該異常波的當量為?1.2-21dB。該異常組織通過超聲檢測的方式只能夠發現很微弱的反射波，與正常組織的雜波之間較難區分。因此，用超聲波探傷無法檢測該缺陷。

2.6 討論

綜合上述檢測結果，可以判斷該黑斑缺陷為β斑。

從微區成分結果可以看出，Mo、Ni、Zr元素含量在β斑區和異常區均無較大差異，Al元素含量在β斑區與正常區存在顯著差別，Al元素為α穩定元素，β斑區Al元素含量明顯偏低，因此可以判定此β斑區為貧鋁的成分偏析。

由于Al元素為α穩定元素，Al含量的偏低就會造成該區域的相變溫度比正常區域的相變溫度偏低，基于兩相區雙重熱處理后得到的顯微組織可知，該區域與正常區的相變點差異應大于30℃。因此，Al含量偏低區域在熱處理過程中由于整體溫度高于本區域的相變溫度，導致Al含量偏低區域的初生α相完全轉變為β相，最終形成β斑。

根據此β斑的表現特點，產生的可能原因是Al中間合金部分顆粒過大，經過三次VAR熔煉，未能充分熔化均勻，造成Al元素分布不均。而且此β斑分布的情況可推演出，此β斑并非聚集于鑄錠的心部，應該是離散性的分布于鑄錠的各個部位，且密度大[5,6]。

為了消除此類缺陷，建議在Ti80鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦粒度與中間合金的均勻性以及混料時化學成分的均勻性。

3 、結束語

經過顯微組織觀察、微區成分分析及掃描電鏡觀察和顯微硬度測試，確定該批Ti80鈦合金棒材為貧鋁型的β斑。

建議在Ti80鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦與中間合金粒度的均勻性以及混料時化學成分的均勻性。

參考文獻

[1] 袁滿,曹玉如,張亞娟,等.Ti80鈦合金相變點的測定[J].熱加工工藝,2013,42(14):57-59,92

[2] 王云,羅登超,王莎,等.熱處理對Ti80冷軋管材力學性能和組織的影響[J].熱加工工藝,2019,48(10):200-202.

[3] 權思佳,宋克興,張斌斌,等.熱處理工藝對Ti80合金顯微組織的影響[J].材料熱處理學報,2018,39(5):44-51.

[4] 朱勤,張延生,何龍，TC4合金棒材成分偏析組織的分析與判定[J].稀有金屬快報,2007,5:37-39.

[5] 蔡建明,張旺峰.TC11鈦合金葉片上亮條和暗條的性質及控制[J].材料工程,2005,1:16-19.

[6] 李冬梅,王曉鳳,任春燕,等.Ti80鑄錠合金元素成分均勻性的研究[J].中國鈦業,2013,4:28-29.