航空用TC11鈦合金棒料缺陷分析

引言

TC11合金是典型的(α＋β)雙相鈦合金,名義成分為T(mén)i-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si,是我國(guó)應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)成熟穩(wěn)定的鈦合金,在航空工業(yè)主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、葉片和噴管等[1-4]。本公司采購(gòu)的一批TC11合金棒料直徑為120mm,交付量為2494kg/16支,節(jié)號(hào)依次為1-1、1-2、4-1、4-2８-1、８-2,在入廠超聲波檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)號(hào)4-2局部有超標(biāo)顯示。棒料超聲波驗(yàn)收要求為GB/Ｔ5193A1級(jí),該批棒料整體雜波水平?1.2-6ｄＢ,超標(biāo)顯示當(dāng)量為1.2＋13ｄＢ,深度73mm,距離4-2號(hào)棒料端面210mm。超聲波超標(biāo)部位波形如圖1所示,在 超聲波超標(biāo)處切取試片(見(jiàn)圖2)。

本文采用Ｘ射線探傷儀、光學(xué)顯微鏡、維氏硬度計(jì)、掃描電鏡、能譜儀等檢測(cè)設(shè)備分析了超聲波檢測(cè)到的缺陷的產(chǎn)生原因。

圖1 4-2號(hào)超聲波超標(biāo)處波形

1、Ｘ射線檢測(cè)

首先對(duì)缺陷部位進(jìn)行Ｘ射線定位檢測(cè),照射方向垂直于試片橫截面,獲得的Ｘ光底片如圖3所示。經(jīng)Ｘ射線照射,僅有一處白點(diǎn)顯示,然后從點(diǎn)狀顯示處的側(cè)面檢測(cè)其分布深度,結(jié)果如圖4所示。

由Ｘ射線底片可知,缺陷部位的線衰減系數(shù)大于正常部位,而線衰減系數(shù)與吸收材料的密度成正比,因此,初步判斷缺陷為貫穿性的,密度高。

圖2超聲波超標(biāo)試樣

圖3缺陷位置

圖4缺陷深度

2、金相檢驗(yàn)

貫穿性高密度缺陷一側(cè)橫截面拋光態(tài)形貌如圖5所示,夾雜物與基體之間有明顯界限。圖6表明,浸蝕后夾雜物與基體之間有明顯的過(guò)渡區(qū)。圖7為夾雜物縱截面拋光態(tài)宏觀形貌,拋光態(tài)夾雜物目視可見(jiàn),且與基體界面熔合良好,僅有個(gè)別微小孔洞。

圖８為夾雜物－過(guò)渡區(qū)－基體之間的顯微組織。Ⅰ區(qū)為夾雜物；Ⅱ區(qū)為夾雜物前沿的過(guò)渡區(qū)；Ⅲ區(qū)為基體前沿的過(guò)渡區(qū),顯微組織為β相；Ⅳ區(qū)為基體,其顯微組織為正常的α＋β組織。

圖5夾雜物橫截面拋光態(tài)微觀形貌

圖6夾雜橫截面腐蝕態(tài)微觀形貌

圖7夾雜縱截面宏觀形貌

圖８夾雜物與基體間的顯微組織

3、微區(qū)化學(xué)成分和顯微硬度檢測(cè)

圖9為夾雜物的能譜分析線掃描結(jié)果,中間發(fā)白區(qū)域主要成分為Mo,其密度為10.2ｇ/cm³,TC11鈦合金密度為4.4８ｇ/cm³,可進(jìn)一步確認(rèn)缺陷為貫穿性高密度Mo夾雜。從夾雜物區(qū)至過(guò)渡區(qū)至基體的Mo含量迅速降低至正常含量。圖10和表1為Mo夾雜、過(guò)渡區(qū)和基體的能譜分析位置和檢測(cè)結(jié)果,Mo夾雜前沿過(guò)渡區(qū)Mo含量約為20％~27％,Ti、Al含量略低于基體區(qū),無(wú)Zr元素,此處可能為Mo夾雜區(qū),基體元素向夾雜處擴(kuò)散,形成過(guò)度區(qū)。

基體前沿過(guò)渡區(qū)Mo含量約為12％,Al、Ti、Zr、Si含量與基體正常區(qū)基本一致,說(shuō)明此處原為基體正常區(qū),由于夾雜物中Mo向此處擴(kuò)散,導(dǎo)致此處Mo含量升高,因Mo為β相穩(wěn)定元素,導(dǎo)致此處β轉(zhuǎn)變溫度顯著降低,因此其顯微組織為典型的高M(jìn)o偏析β相。

表2為Mo夾雜至基體的顯微硬度,基體至Mo夾雜物區(qū)顯微硬度從352ＨＶ0.1逐步降低至262ＨＶ0.1,平緩的硬度梯度能保證夾雜物在棒料開(kāi)坯和鍛造過(guò)程中與周?chē)；w同步變形,減小了夾雜物處產(chǎn)生較大裂紋的可能性。成品棒料中的夾雜物與基體之間有良好的熔合界面說(shuō)明了這一點(diǎn)。

4、缺陷產(chǎn)生原因

Ｘ射線分析表明,缺陷為細(xì)長(zhǎng)條狀高密度夾雜物。

圖9夾雜與基體間的能譜分析的線掃描結(jié)果

圖10夾雜物與基體間能譜分析的點(diǎn)掃描位置

由顯微組織和能譜分析結(jié)果可知,高密度純Mo夾雜與基體組織之間為冶金結(jié)合,并有元素?cái)U(kuò)散,可以排除在鑄錠鍛造成棒料的過(guò)程中外來(lái)夾雜物嵌入的可能性。因?yàn)殄懺爝^(guò)程嵌入的高熔點(diǎn)Mo夾雜會(huì)與基體產(chǎn)生明顯的間隙界面,且不會(huì)發(fā)生明顯的元素?cái)U(kuò)散和冶金結(jié)合。超聲波檢測(cè)缺陷位置在4-2號(hào)棒料的一端,根據(jù)棒料節(jié)號(hào)進(jìn)行反推,夾雜物缺陷大約位于鑄錠中部,如圖11所示。本批棒料所用鑄錠共進(jìn)行三次熔煉,示意圖如圖12所示。本批棒料制備了兩根一次電極,棒料中的Mo元素在一次電極制備過(guò)程中以ｌ-60Mo合金添加劑而非純Mo的形式加入。兩根一次電極一次熔煉形成的一次錠經(jīng)爐內(nèi)對(duì)焊后進(jìn)行二次熔煉和三次熔煉。鑄錠三次熔煉過(guò)程正常、平穩(wěn)、無(wú)異常,成品鑄錠頭尾化學(xué)成分均滿足技術(shù)要求,且偏差較小,說(shuō)明整個(gè)熔煉過(guò)程受控,并無(wú)產(chǎn)生Mo夾雜的明顯條件。根據(jù)缺陷出現(xiàn)在鑄錠中部且一次錠的對(duì)焊過(guò)程,可推測(cè)產(chǎn)生缺陷的原因可能是一次錠起吊裝爐過(guò)程中,底部與鑄錠存放區(qū)的鋼板接觸,導(dǎo)致外來(lái)物帶入鑄錠中。

圖11 棒料位置分布示意圖

圖12 鑄錠熔爐過(guò)程示意圖

5、結(jié)論

TC11鈦合金棒料超聲波超標(biāo)部位的缺陷為細(xì)長(zhǎng)條Mo夾雜,夾雜物與基體界面熔合良好,并形成由元素?cái)U(kuò)散產(chǎn)生的過(guò)渡區(qū)。Mo夾雜可能產(chǎn)生于一次錠熔煉后對(duì)焊前的吊裝過(guò)程,說(shuō)明鑄錠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有待進(jìn)一步改善。建議加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管控,防TC11棒料缺陷在入廠復(fù)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),說(shuō)明棒料出廠前超聲波檢測(cè)有漏檢。應(yīng)改進(jìn)超聲波檢測(cè)方式。

參考文獻(xiàn)

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