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4行業(yè)新聞

鈦合金常見(jiàn)鍛造缺陷及預(yù)防


  鈦合金由于具有低密度、高比強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕及無(wú)磁性等優(yōu)異的綜合性能,使其成為當(dāng)代航空航天領(lǐng)域最具前途的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。隨著鈦合金的大量應(yīng)用,其冶金質(zhì)量問(wèn)題也日益引起業(yè)界人士的廣泛關(guān)注,于是鈦合金的冶金質(zhì)量顯得越來(lái)越重要。


  目前工業(yè)鈦合金80%以上以變形鈦合金使用,如鍛件、鍛棒及軋制型材等形式。鍛造變形是保證鈦合金材料獲得理想組織與性能的最主要手段,但是不正確的鍛造工藝往往會(huì)使鈦合金產(chǎn)品出現(xiàn)一些不理想的組織和冶金缺陷,從而惡化其力學(xué)性能,給鈦合金產(chǎn)品的正常使用造成潛在危害,同時(shí)給生產(chǎn)及使用廠家造成大量浪費(fèi),故研究分析各種鈦合金鍛造缺陷的形成機(jī)理,并采取有效預(yù)防措施具有十分重要的價(jià)值。


  1. 鍛造熱效應(yīng)


  某牌號(hào)高溫鈦合金鑄錠在快鍛機(jī)上開(kāi)坯鍛造后,在α+β兩相區(qū)多火次加熱鍛造為φ 165mm棒材,熱處理后觀察其低倍組織為模糊晶組織,顯微組織為等軸組織,為理想的α+β雙相鈦合金等軸組織,組織照片見(jiàn)圖1a。將上述φ 165mm棒材鋸切下料后,在相變點(diǎn)下50℃加熱后,在30kN液壓錘上將其鍛成φ 110mm×110mm方坯,隨后對(duì)方坯進(jìn)行解剖分析時(shí),發(fā)現(xiàn)其心部為清晰晶,顯微組織照片見(jiàn)圖1b,顯微組織為α板條+β轉(zhuǎn),是典型魏氏組織,存在清晰的晶界,α屬于鈦合金中的過(guò)熱組織,距離表面20~30mm為半清晰晶,顯微組織照片見(jiàn)圖1c,顯微組織為α板條+α等軸+β轉(zhuǎn),α 等軸數(shù)量稀少,α板條數(shù)量居多,存在斷續(xù)分布晶界α;距離表面0~20mm范圍內(nèi)為模糊晶。


  某批次φ80mm規(guī)格TC4鈦合金棒材,其顯微組織為典型等軸α組織(見(jiàn)圖2a),初生α等軸含量達(dá)到70%以上。在940℃(合金相變點(diǎn)995℃)加熱錘上模鍛后,其模鍛件心部顯微組織見(jiàn)圖2b,初生α等軸含量?jī)H剩余15%左右,為鍛造溫度過(guò)熱造成。


  鈦合金在相變點(diǎn)(α+β/β轉(zhuǎn)變溫度)以上變形獲得網(wǎng)籃組織或魏氏組織塑性、疲勞性能差,所以絕大多數(shù)鈦合金產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中要求近α 型、α +β 型雙相鈦合金成品,顯微組織一般是綜合性能較好的等軸組織或雙態(tài)組織,所以近α型、α+β型雙相鈦合金成品鍛造一般選擇在相變點(diǎn)以下30~60℃加熱鍛造。大量研究及工程實(shí)踐證明,隨著鍛造加熱溫度的升高,雙相鈦合金顯微組織中初生α等軸的含量明顯降低,而α板條含量顯著增加。也就是說(shuō)雙相鈦合金在相變點(diǎn)以下加熱時(shí),隨著加熱溫度升高,組織中初生α等軸逐步向β相轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致加熱鍛造后的鈦合金顯微組織中初生α等軸含量降低、形態(tài)變小,α板條含量增多,當(dāng)加熱鍛造溫度超過(guò)鈦合金相變點(diǎn)之后,雙相鈦合金組織中的初生α等軸全部消失,為板條狀網(wǎng)籃組織或魏氏組織。


  鈦熱導(dǎo)率為0.036c a l/c m·s·℃(1cal/cm·s·℃=418.68W/cm·K),室溫時(shí)是鋁的1/15,鐵的1/5。鈦合金在錘上鍛造過(guò)程中,由于瞬時(shí)變形速率大(錘上變形7~9m/s)、打擊頻率高,造成合金內(nèi)部流動(dòng)應(yīng)力過(guò)大,消耗大量機(jī)械能短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部熱量,由于坯料心部變形較周?chē)笄疑釛l件差,致使坯料內(nèi)部溫度升高、變形程度最大中心區(qū)域溫度接近,甚至超過(guò)合金相變點(diǎn),導(dǎo)致最終坯料中心顯微組織中初生α等軸急劇減少,甚至全部消失,過(guò)熱嚴(yán)重時(shí)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅芊浅2畹奈菏辖M織。以上典型兩種雙相鈦合金經(jīng)過(guò)錘上鍛造后,其顯微組織中的初生α等軸含量急劇減少,α板條含量相應(yīng)增加,顯微組織由理想的等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)檩^差的魏氏組織,主要原因就是鈦合金在瞬時(shí)劇烈變形過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象造成的。


  鈦合金在鍛造變形中,一般情況下中心部位是劇烈變形區(qū),所以中心是溫升最高的區(qū)域,將中心部位溫升情況作為制訂鍛造工藝的主要依據(jù)。采用鍛造速度較快的鍛錘鍛造鈦合金時(shí),必須考慮鍛造過(guò)程中的中心熱效應(yīng),不能連續(xù)重?fù)襞髁?。鈦合金鍛造在有條件的情況下建議采用壓力機(jī)或快鍛機(jī),該類鍛造設(shè)備打擊速度低,鍛造過(guò)程中坯料瞬時(shí)應(yīng)變速率較低,產(chǎn)生的變形熱不是非常明顯,同時(shí)有足夠時(shí)間進(jìn)行變形熱擴(kuò)散,不會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)心部溫度明顯增高。


  2. 組織不均勻


  某批次T C17鈦合金模鍛件進(jìn)行顯微組織觀察時(shí),發(fā)現(xiàn)其網(wǎng)籃組織中存在一定的大塊狀α相(俗稱粗大α塊)見(jiàn)圖3。該TC17鈦合金模鍛件是采用亞β鍛造工藝生產(chǎn)的(相變點(diǎn)上40℃加熱模鍛,鍛后空冷),期望得到顯微組織是均勻一致的網(wǎng)籃組織。


  這種粗大α塊又稱大白塊,與網(wǎng)籃組織中細(xì)小的正常α條相比,在形態(tài)上表現(xiàn)為粗大、不均勻,由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng),很少出現(xiàn)交錯(cuò)現(xiàn)象,其晶界面比較粗糙,凹凸不平,而正常α條的晶界面比較平滑。研究證明,這種粗大α塊的顯微硬度要比正常α條低約l0%,致使合金塑性與熱穩(wěn)定性能下降,影響了鍛件質(zhì)量,所以必須防止在鈦合金中出現(xiàn)這種不均勻組織。鈦合金在熔煉凝固過(guò)程中,由于各類合金元素的平衡分配系數(shù)≠1,致使后凝固的晶界處有α穩(wěn)定元素富集與偏析,所以在其富集處α相首先析出,并沿晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng),從而形成了粗大α塊,微區(qū)成分偏析是產(chǎn)生這種不均勻組織的根本原因。


  微區(qū)成分結(jié)晶偏析是由于平衡分配系數(shù)k0>1或k0<1造成的,合金先后結(jié)晶區(qū)域溶質(zhì)濃度不同形成的偏析屬于正常偏析,這種偏析很難完全避免,但可用適當(dāng)措施加以控制。一方面通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化鑄錠熔煉工藝參數(shù)加以控制,另一方面通過(guò)適當(dāng)?shù)腻懺旃に嚰右愿纳葡?。鍛造工藝方面,首先在其鑄錠開(kāi)坯鍛造時(shí),采用適當(dāng)?shù)母邷鼐鶆蚧幚?,?duì)于鑄錠柱狀組織區(qū)域的微觀晶內(nèi)枝晶偏析通過(guò)均勻化退火或變形再結(jié)晶改善和消除;其次在合金坯料及成品模鍛過(guò)程中采用適當(dāng)?shù)腻懞罄鋮s方式加以控制,抑制其顯微組織中出現(xiàn)粗大α塊。上述TC17鈦合金鍛件在亞β模鍛后,采用空冷是其出現(xiàn)粗大α塊的誘因,鍛后冷卻速度慢,過(guò)冷度小,形核率低,因而α相有足夠時(shí)間長(zhǎng)大形成粗大α塊。


  亞β 鍛后采用快冷(水冷或油冷)可明顯減輕或抑制粗大α塊出現(xiàn),加快冷卻速度、增加過(guò)冷度,可提高α相形核率,盡管局部區(qū)域存在合金元素偏聚,具備生長(zhǎng)粗大α塊的條件,但α相還沒(méi)來(lái)得及長(zhǎng)大與兼并,整個(gè)組織的相變過(guò)程已經(jīng)結(jié)束了,控制冷速可以顯著改變析出α相形態(tài)與分布規(guī)律。鍛后水冷或油冷將鍛造產(chǎn)生的晶體缺陷(位錯(cuò)、亞晶)和位錯(cuò)密度增加的變形組織全部或部分固定到室溫,為隨后熱處理過(guò)程中再結(jié)晶增加了大量的結(jié)晶核心,在隨后熱處理時(shí),β相的析出機(jī)制由空冷條件下的感生形核機(jī)制變?yōu)楠?dú)立形核方式,得到細(xì)小、混亂、交織的條狀初生α和次生α,這種組織可以顯著提高合金的綜合性能。


  3. 空洞型缺陷


  某批次φ 70mm規(guī)格TA7鈦合金棒材在出廠超聲波檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷波,對(duì)其缺陷位置解剖后進(jìn)行了橫向低倍檢查,腐蝕后低倍上發(fā)現(xiàn)大量“麻坑”,主要就集中在棒材中心區(qū)域,棒材1/4半徑之外區(qū)域則未發(fā)現(xiàn)“麻坑”。隨后對(duì)麻坑處進(jìn)行了高倍觀察,發(fā)現(xiàn)其為晶間空洞類缺陷,缺陷處顯微組織照片見(jiàn)圖4。有的研究認(rèn)為“麻坑”現(xiàn)象與腐蝕有關(guān), 隨腐蝕時(shí)間增加,“麻坑”現(xiàn)象越明顯;也有的研究認(rèn)為“麻坑”可能與雜質(zhì)元素Fe 含量較多有關(guān)。但是上述觀點(diǎn)很難解釋超聲波檢測(cè)存在超標(biāo)缺陷波的現(xiàn)象及高倍分析中發(fā)現(xiàn)的空洞現(xiàn)象。


  大量工程實(shí)踐證明,TA7鍛造工藝性能較其他TC4、TC11等鈦合金要差,鍛造過(guò)程中比其他鈦合金更易發(fā)生開(kāi)裂,且裂紋擴(kuò)展速率快。鈦、鋁合金等金屬材料在進(jìn)行大應(yīng)變(如超塑成形)時(shí)易誘發(fā)疏松,出現(xiàn)空洞甚至發(fā)生斷裂,TA7鈦合金中空洞就是大應(yīng)變誘發(fā)產(chǎn)生的。在高應(yīng)變率下,TA7鈦合金的流變應(yīng)力較靜態(tài)下顯著增加,但塑性顯著降低;隨著應(yīng)變率增加,流變應(yīng)力應(yīng)變?cè)黾?,但存在一個(gè)臨界應(yīng)變率,超過(guò)臨界值,材料將發(fā)生斷裂;當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到臨界值時(shí),材料中產(chǎn)生絕熱剪切帶,并在帶中形成微空洞,在外加應(yīng)力作用下,空洞逐步聚集長(zhǎng)大甚至形成微裂紋。微空洞總是沿最大剪切變帶形成,這是因?yàn)樵诰钟蚧冃沃校?最大剪切帶內(nèi)變形劇烈從而溫度較高,使帶內(nèi)材料軟化,成為裂紋、空洞等缺陷產(chǎn)生的理想場(chǎng)所,TA7棒材在鍛造過(guò)程中棒材中心區(qū)域變形量最大且變形熱擴(kuò)散最慢,變形溫度最高,故在大變形過(guò)程中最易出現(xiàn)空洞。


  研究表明,金屬材料塑性變形過(guò)程中伴隨著組織形態(tài)的變化,主要有晶粒長(zhǎng)大、等軸晶拉長(zhǎng)、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)、位錯(cuò)增殖、動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶及空洞形核和長(zhǎng)大等。晶界滑移是塑性變形的主要機(jī)制,晶界滑移會(huì)引起局部應(yīng)力集中,阻礙晶界滑移的進(jìn)一步發(fā)生,當(dāng)應(yīng)力集中無(wú)法借助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)消除時(shí),空洞就會(huì)形核,繼而發(fā)生長(zhǎng)大??斩磧?yōu)先在三角晶界處形核,隨著變形量增加,空洞開(kāi)始長(zhǎng)大,且空洞并非以等軸狀態(tài)長(zhǎng)大,而是以橢圓形的方式長(zhǎng)大??斩匆紫蚱叫欣瓚?yīng)力分享的晶界擴(kuò)散,從而在拉應(yīng)力方向形成定向的空位流,不斷向空洞中心聚集,使空洞得以沿平行于拉伸方向長(zhǎng)大。大量文獻(xiàn)中提到該合金鍛造過(guò)程中易出現(xiàn)“麻點(diǎn)”和空洞,通過(guò)對(duì)TA7鈦合金“麻點(diǎn)”及孔洞類缺陷形成機(jī)理分析,我們總結(jié)出了一套防止TA7鈦合金鍛件空洞類缺陷的有效辦法,就是嚴(yán)格控制每火次變形量≤50%,嚴(yán)格控制變形速率,最好采用油壓機(jī)或水壓機(jī)鍛造,盡量避免采用錘上鍛造,在生產(chǎn)中取得了良好效果。


  4. 結(jié)語(yǔ)


  目前鈦合金中常見(jiàn)的鍛造缺陷主要有組織過(guò)熱及不均、空洞、裂紋等,這些缺陷一般在鈦合金產(chǎn)品顯微組織檢查或超聲波檢測(cè)中很易發(fā)現(xiàn),主要是在鈦合金產(chǎn)品鍛造過(guò)程中工藝參數(shù)控制不當(dāng)形成的,所以在鍛造過(guò)程中需依據(jù)不同特性的鈦合金材料選擇合適的變形速率(鍛造設(shè)備)、加熱鍛造溫度、道次變形量及鍛后冷卻速度。


  作者簡(jiǎn)介: 張利軍、郭凱、張晨輝,西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司。


  何春艷,西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司質(zhì)量管理部。


  薛祥義,西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

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