TC4鈦合金是目前用途最廣的兩相鈦合金，由密排六方結構的 α 相和體心立方結構的 β 相構成。具有比強度高、耐蝕性好，抗疲勞和抗裂紋擴展能力強等優異性能，使其在航空航天、船舶制造、石油化工、生物醫療等多個領域得到廣泛應用，尤其航空發動機葉片和渦輪盤等大多采用 TC4 鈦合金材料 ［ 1-2 ］ 。

鈦合金加工材料的制造過程包含熔煉、鍛造或軋制及熱處理等，其中導致成分偏析的主要因素在鈦合金的熔煉過程。成分偏析在后續加工中極其容易引起顯微組織的異常，這種異常致使缺陷區域與正常區域硬度值不同，繼而導致性能的不均勻 ［ 3-4 ］ 。在零部件長時間服役過程中容易萌生疲勞裂紋源，降低產品的使用壽命，嚴重時即使在正常載荷使用范圍內也可導致零件發生瞬時斷裂。因此，為確保材料的安全性和可靠性，文章對此類缺陷進行了檢驗分析與判別，并對其成因進行了分析，旨在提高產品的質量，優化生產過程 ［ 5 ］ 。

1、 實 驗

1.1 實驗材料

以 TC4 合金名義成分配料，通過真空自耗爐熔煉，經過軋制成 δ25mm 厚板材。原料取樣分析化學成分，結果符合 GB/T3620.1《鈦及鈦合金牌號和化學成分》標準要求，結果見表 1。采用 CTS-9002PLAS 超聲波探傷儀進行檢測時，儀器顯示波形出現多條異常峰值，確定此區域可能存在缺陷，超聲探傷見圖 1。在板材上對此區域進行取樣，進行更加深入地分析。

1.2 實驗設備

采用 ZEISSObserverZ1m 科研級光學金相顯微鏡，觀察經腐蝕后（腐蝕劑 5%HF+10%HNO3+85H2O）材料的顯微組織。采用 WilsonVH1150 維氏硬度計進行區域硬度分析，載荷 1kg，加載時間 15s。采用 JSM6480 掃描電鏡進行表面形貌觀察，并對微區成分進行能譜分析。

2 、結果與分析

2.1 組織分析

沿延軋制方向逐層對缺陷位置縱剖面進行低倍組織分析，圖 2 為經腐蝕（腐蝕劑 10%HF+25%HNO₃ +85H₂O）后的宏觀組織照片。宏觀組織顯示，板材厚度1/2 層處存在條形亮斑，且沿軋制方向向兩側延伸分布，其周邊組織流線沿缺陷外形分布 ［ 6 ］ 。

圖 3 為 TC4 鈦合金板材正常區域顯微組織形態。

從圖 3 中可見，正常區域為 β 基體上的等軸 α 和拉長 α組織，符合 TC4 作為 α+β 兩相鈦合金的組織特征。圖 4為過渡區域顯微組織。圖 5 為 TC4 鈦合金板材缺陷區域不同位置的顯微組織形態。圖 5a 組織為單相等軸 α 組織，圖 5b 為單相等軸 α+片層狀 α 組織。觀察圖 5 照片中組織，未發現存在 β 相，分析可得，缺陷區域應該存在成分的差異，從而導致組織上的異常化。

2.2 顯微硬度測試

分別測試正常區域和缺陷區域的顯微維氏硬度，測試結果如表 2。數據顯示，正常區域硬度值在 TC4 維氏硬度值正常范圍內，缺陷區域硬度值明顯低于正常區域，低于正常區域約 17%，屬于軟偏析。

2.3 掃描電鏡及能譜分析

圖 6 和表 3 分別為正常區域和缺陷區域掃描電鏡組織形貌和能譜成分分析結果。從表 3 中可見，正常區域成分接近 TC4 理論值，缺陷區域釩（V）元素含量為0.37%，與正常區域相較含量極低，Al 含量略高于正常值，鈦（Ti）元素含量 92.47%明顯高于正常值，由此可以判定此缺陷屬于較為明顯的富鈦偏析 ［ 7-8 ］ 。

2.4 討 論

在鈦合金元素作用中，V 元素屬于 β 相穩定元素，起到固溶強化 β 相的作用，Al 元素屬于 α 相穩定元素 ［ 9 ］ 。偏析區域這種貧釩富鋁富鈦的元素濃度，會促使組織向 α 相的轉變，與圖 3 中 α+β 組織和圖 4 中單相 α組織的形貌結論相符。基于材料晶格變形時位錯研究，兩相結構會阻礙晶格的滑移，使其具有更高的強度和硬度，與正常區域兩相組織顯微硬度高于偏析區域單相組織硬度的結果一致。同時，由于成分偏析和后續熱變形加工作用，偏析區域沿軋制方向成亮條分布。

在鈦合金熔煉過程中，多采用真空自耗電弧爐熔煉（VAR）。此方法將海綿鈦與中間合金充分混料后壓制成電極塊，并通過焊接制備成可供熔化的電極棒，經多次真空熔煉得到鈦合金鑄錠。熔煉過程中提高壓塊的質量，控制好凝固過程相應工藝參數，能有效地減少宏觀偏析，尤其冷卻速度、液體金屬的攪動、電流加熱溫度等 ［ 10-11 ］ 。同時，若熔煉原料海綿鈦和中間合金等配料的粒度不均，也會造成合金元素分布不均，導致局部區域元素的富集或者貧化，造成偏析缺陷及組織和性能的差異化 ［ 12 ］ 。因此，在熔煉過程中需加強海綿鈦和中間合金的復檢，提高電極壓制質量，嚴格控制相應的工藝流程和參數。

3、 結 論

（1）通過組織觀察、顯微硬度測試及掃描電鏡能譜分析，此缺陷屬于熔煉過程控制不當引起的富鈦偏析。

（2）提高熔煉工藝的穩定性、原料粒度的均勻性及電極壓塊的致密度，可有效降低宏觀偏析的形成。

參考文獻

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