TC4鈦合金因其密度小、比強度高、抗腐蝕性好，綜合性能優異，因此被廣泛地應用于航空、航天、艦船、化工等領域。雖然TC4鈦合金的加工技術已經較為成熟，但在工業化生產中，經常由于制備工藝不當而造成開裂、夾雜、偏析、氣孔等缺陷。本文所述鍛件的特點是直徑大、厚度薄。本文針對某批次存在缺陷的TC4鈦合金鍛件進行檢驗分析，通過超聲波探傷、金相及能譜分析等方法找出缺陷性質及其產生原因。避免再次出現類似問題，為TC4鈦合金鍛件的工業化生產提供技術指導。

1、試驗方法 

本文所用材料經真空自耗電弧熔煉TC4合金鑄錠，下料后鍛造成厚度較薄的大直徑圓餅形鍛件(φ700mmx28 mm)。對TC4鑄錠的化學成分進行分析，結果符合GB／T3620.1-2007標準的要求。

采用超聲檢測的方法來確定鍛件的內部質量。

為了保證缺陷的檢出率，在信噪比滿足檢測要求的條件下盡量選擇較大靈敏度．最終選擇φ0.8mm平底孔作為參考反射體。在設置靈敏度的基礎上，對鍛件進行100％掃查，發現兩處超標缺陷，兩缺陷均在靠近鍛件圓盤邊緣部位，缺陷反射波見圖1。應用超聲波的精確定位功能，以缺陷反射波幅為參考。確定缺陷深度及異常區域范圍。并作為解剖區域解剖取樣。共取得2件試樣。為此，本文用金相觀察和能譜掃描的方法對該鍛件做進一步檢驗分析，以便找出缺陷性質和產生原因。

2、試驗結果與分析

2.1 金相低倍檢驗

對出現信號缺陷的部位進行橫向切取試樣,經拋光后，在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2。從圖中可觀察出：1^#試樣近中部有明顯亮帶，在亮帶上有縮孔，并夾雜細小裂縫。24試樣缺陷處與基體部分存在組織異常現象且存在細小裂縫。

2.2 金相高倍檢驗。

觀察1^#、2^#試樣高倍組織，結果見圖3。從圖中可以看到，1^#、2^#試樣基體均為初生等軸α+小等軸及片狀α的轉變β，1^#試樣存在著一個4.8mm×3.3mm的與基體組織不連續的縮孔缺陷，其周圍上下部分僅α_初含量少于基體，在上部存在著較為明顯的粗大α相。左右兩側則存在條狀扭曲的粗大α_初+β_轉，且α_初含量高于基體。2^#試樣存在著一個1.3 mm×8mm的組織異常缺陷，表現為有條狀扭曲的粗大α_初+β_轉，且α_初含量高于基體。

2.3 缺陷區及基體布氏硬度測試分析

對缺陷區及基體進行硬度測試，測試點分布規律為：前2測試點在缺陷區中心位置選取，其余4點在缺陷區邊緣均勻分布選取。基體測試點為隨機抽取6個位置點。測得的硬度數據如表l所示。該鍛件技術指標要求硬度值為293～361HB，從表中可以看到基體區硬度在技術指標范圍內，而缺陷區硬度值普遍高于基體區，中心區硬度最高，且隨著距缺陷

中心距離的增大而降低。

2.4 掃描電鏡形貌及能譜分析

對1^#、2^#試樣進行電鏡掃描及能譜分析，結果如圖4、5所示。試樣不同區域的元素含量見表2。對1^#試樣來說，表面裂縫處的能譜分析顯示Ti的含量為98.4％，比正常基體部分含量偏高約8％。表明缺陷處為合金化不足引起的富鈦化偏析。1^#試樣表面異常處的能譜分析顯示，氧元素含量很高，為11.71％；鈦含量偏低，為75.36％；鋁和釩元素的含量也偏低，并伴隨其他雜質元素的析出。說明該處是一個復雜的鈦氧化物形態。對2^#試樣來說，其表面正常區域和表面異常區域的元素構成基本一致．而裂縫處的氧元素含量偏高，為13.48％，鈦及鋁含量均偏低。這說明該處是一個富氧間隙元素偏析。

3、結果分析

一般來說，非金屬夾雜(含富氧、富碳、富氮夾雜)表現為光亮的條帶和區域。這些帶和區域有時伴隨有疏松、裂紋、空穴等，屬于冶金缺陷范疇。1^#試樣缺陷的形貌是呈現亮斑且局部有針狀裂縫的縮孔．顯微組織表現為與周圍基體組織粗大不連續的顯微硬度高的α相聚集。能譜分析顯示，缺陷異常區氧元素及碳元素含量偏高，導致其中心區顯微硬 度顯著提高，而隨著與中心距離的增加，金屬中氧元素含量減少，逐漸轉變成合金的典型組織，這一點可以從顯微硬度隨距離的增加而降低看出。該處氧含量增高而鈦含量降低，特別是鋁含量較低，比基體材料低3/4，且有其他雜質元素存在，呈現出復雜氧化物形態。縮孔區域Ti含量顯著高于基體部分。綜合1^#試樣缺陷特征可知，該處缺陷為富集氧的非金屬夾雜并伴有針狀裂縫處的富鈦元素偏析。

2^#試樣缺陷的形貌是呈類圓形的且局部表面有細小裂縫的亮斑。金相高倍組織顯示該處有條形扭曲狀的α相聚集且與周圍基體組織有不連續現象。與1^#試樣缺陷處全部為與基體組織不連續的縮孔不同的是，2^#試樣只在表面出現了細小裂縫。組織不連續程度較1^#試樣小。2^#試樣能譜分析顯示，其異常區域和正常區域的元素基本一致，氧元素含量偏 高，其缺陷處為富有氧元素偏析。

4、結論與改進措施

(1)1^#、2^#試樣缺陷為同一類，屬于冶金缺陷。缺陷區附近存在微區化學成分不均勻。氧含量偏高，鋁、釩含量偏低。導致該區域是復雜的氧化物混合態。元素偏析會導致工件變形過程中在缺陷部分出現疏松、空穴或裂紋。缺陷主要是微區化學成分不均勻，氧含量偏高氧化嚴重，形成富氧的夾雜，形成粗大的儀相，導致其顯微硬度顯著增大，而塑性下降。因此在變形過程中由于脆性大導致縮孔和裂紋。

(2)消除以上冶金缺陷的措施應從以下幾個方面考慮：一是要研究更加完善的鑄錠檢驗方法，以便及早發現，減少損失，提高生產效率；二是應更加仔細地選擇、清理和控制加入的海綿鈦，及時清除氧化嚴重的海綿鈦顆粒。

參考文獻：

【1】 陳畏．鈦【M】．北京：冶金工業出版社，2008．

【2】 趙永慶，陳永楠，張學敏，等．鈦合金相變及熱處理【M]．長沙：中南大學出版社。2012．

【3】 鮑利索娃EA．鈦合金金相學[M】．陳石卿，譯．北京：國防工業出版社，1986

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