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α钛合金锻材组织的缺陷分析
邹宇超
田玉军 关福安
(东北大学沈阳110006)
摘
要：研究了α型钛合金Φ22mm精锻棒材(TA6)在酸侵时所显露出的麻坑斑群类的低倍缺陷的性质、及对
性能的影响及其产生原因。
主题词：麻坑；冶金缺陷；再结晶；耐腐蚀性；精锻；自由锻
某厂生产的一批α-Ti合金(TA6)ΦΦ22mm棒材，在入厂酸侵检验时，发现有的试料横向低倍组织呈现异常，于其轴心区约Φ8mm范围内表面粗糙，继续深蚀即显露出呈星散分布、较为密集的小麻坑群。为此，我们对这批材料作进一步检验分析，以找出该棒材产生这一缺陷的性质及其原因。
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工艺流程
该A型钛合金(TA6)Φ22mm棒材由某厂采用真空自耗炉熔炼，铸成Φ220mm棒锭坯，经开坯后多序
锻造而最终成型的。其生产工艺流程：
Φ220
开坯 口130 精锻1
Φl20精锻2
Φ60精锻3
Φ38精锻4
Φ22(mm)
同时，又选取了由同一炉号熔铸的TA6棒锭坯，采用了完全相同的热加工工艺，即改换后序的精锻为自由锻而加工成型的Φ25mm及Φ16mm棒材；用以与Φ22mm棒作对比试验。其中，Φ25mm棒材取自Φ60mm精锻棒，继以自由锻至Φ35mm，再至Φ25mm，而Φ16mm棒材是取材于Φ22mm精锻棒，再自由锻至Φ16mm。
此外，通过对该钛试样进行热处理，观察其耐蚀性变化以探讨Φ22mm棒中心区出现麻点缺陷的性质。
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检验
2.1 化学成分分析
经分析，该材料的化学成分符合TA6(GB3620-83国家标准中)的相应指标，见表1所示。
2.2 力学性能测定
取该棒纵向试样测定力学性能，结果符合GB2195-82国家标准： σ：785MPa，δ5：12％，ψ：30％，αk：31.4J/cm2。
图1Φ22mm棒材横向硬度分布曲线
图1为TA6Φ22mm棒横截面上的硬度变化曲线，表明该材料横向硬度波动不大，棒中心硬度值略高于表面层。
2.3 金相检验
依据GB5168—85国家标准规定与要求将受检TA6棒制成金相试样。切取Φ22棒材4段，尺寸为Φ22mm×12mm，并将其中一段通过轴心线纵向剖开，再另取Φ25mm×12mm，Φ16mm×12mm各一段。受检试样及检验程序列于表2。
表2中1#试样，经磨抛后使被测面具有RA为O.8μm以上的粗糙度，然后将试面朝上浸入到室温的雷氏试剂中约1h后，取出冲洗吹干。低倍下观察，在试样中心区约Φ8mm区域中，分布着一些肉眼可见的小麻坑群，见图2所示。在显微镜下观察麻坑处，发现多数凹坑边缘轮廓与基体衔接处的交界线不分明，且半壁坑稍深，其边缘轮廓较清楚；而另半壁坑较浅，坑壁轮廓模糊不清，坑壁多呈椭圆形，且较光亮，个别坑底处有小针孔存在，麻坑尺寸约达0.5×O.4×O.1(mm3)，但坑底的小针孔仅为几个μm，见图3所示。观察2#试样Φ22Mm纵向低倍组织，其轴心区比边部区受蚀严重，中心区粗糙、深暗呈现粗纤维条纹凸凹起伏状态，而边部区匀细、光亮，见图4。
观察3#试样的显微组织，未发现麻坑，但其晶粒不匀，有显微孔洞，其与在低倍下观察到的蚀坑形貌不同。4#试样受蚀情况与1#试样相同。取5#试样作晶界侵蚀，结果见图5、6，从图中可看出Φ22mm棒材近表面区的组织已发生了再结晶，故呈现等轴α-Ti晶粒，而心部仍为被拉长、破碎的，晶形轮廓模糊的α-Ti晶粒。由此表明，Φ22mm钛槔材的横向组织是极不均匀的，仅表层组织处于稳定状态，而心部则处手高的残余应力、高畸变能的不稳定状态。在整个横、纵向晶界侵蚀的试面上均未发现稍大的宏观级孔洞。
6#试样为3#试样再经860℃恒温3h真空退火，然后进行磨抛，再用雷氏试剂深侵蚀，结果原心部出现的麻坑明显减少，观察经深侵蚀后的纵剖面(7#试样)，其组织趋向均匀化，原心部区出现的粗糙纤维条带(图4)得到了改善。
8#试样(Φ25mm)经深侵蚀后无麻坑出现，显微镜下，其晶粒较大，晶界平直，组织均匀。10#试样(Φ16mm)经雷氏试剂深侵蚀，一端面未出现麻坑，另一端面在试面半侧区出现由小麻点群连成的u形线区，见图7所示。
图2 Φ22mm棒材横截面低倍组织
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图3 Φ22mm棒材横截面部分麻坑放大形貌
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图4 Φ22mm棒材轴纵向低倍
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图5 Φ22mm棒材表面层纵向显微组织
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分析与讨论
α-Ti合金棒材上出现的麻坑如何形成，它是否应归属于通常所见到的冶金低倍缺陷——气孔或疏松，经过检验，我们认为该麻坑不是由低倍冶金缺陷气孔或疏松直接形成的，它主要是由溶蚀和不均匀侵蚀等作用而形成的凹陷坑斑。因为：(1)同样侵蚀条件对于经过退火的同一试样，心部_出现的麻坑可以得到改善；(2)同炉熔铸的经不同热加工的Φ25mm棒经侵蚀后未出现麻坑；(3)Φ22mm棒内部组织极不均匀，其心部耐腐蚀性低。从图3多数坑半壁与基体交界轮廓不分明，也说明它是由局部侵蚀流作用形成了半边漫坡形的溶蚀坑斑。该坑斑群经砂纸磨去O.2mm层厚既可全部消除，表明它不是先于侵蚀前即存在于棒材中的。
图6 Φ22mm棒材心部纵向显微组织
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图7 Φ16mm棒的横向低倍
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对于冶金缺陷孔洞在棒材中也偶可见到，如图5中箭头所指，但它的尺寸是微观级的，故Φ22mm棒力学性能可达到标准要求。
从热加工工艺上分析，该Φ22mm棒是用全序精锻的，其横向中心区经侵蚀后即出现麻坑，而用精锻加掺自由锻成型的Φ25mm棒经侵蚀后未出现麻坑，Φ16mm棒的耐蚀性也有所改善，说明问题在热加工成型的工艺上。
考查精锻与自由锻工艺参数差别，前者使受锻工件形变速度快，但每一次锻压的形变量较小，形变加工温度也稍低，故使受锻件表层区形变量大，而工件内部形变相对较小，表层区因形变量大，储能也大，温升很高，故使钛棒易达到再结晶条件而优先发生了再结晶转变，释放了畸变能，形成稳定的Α-Ti等轴晶组织。由于钛金属导热性差，A型钛合金导热性也较差，所以钛棒心部区温升仍不够高，其形变量比表层小，故其不易达到再结晶条件，不能发生再结晶转变，因此，其心部区仍然处在被拉伸、破碎、具有较高畸变能的不稳定状态。由于材料内部组织的不均匀性和不稳定性而导致了其耐腐蚀性的变异。
对于精锻至Φ60mm而后序加工改用自由锻成型的Φ25mm棒，即8#试佯与Φ22mm精锻棒采用相同的侵蚀条件，但前者未出现麻坑，这是因为自由锻工艺与精锻不同，它有利于使受锻钛材内部组织趋向均匀、稳定化。自由锻采用的加工温度为900℃～950℃，比精锻高，工件形变速度也比精锻慢，形变抗力小，利于形变扩展及热量的传递扩散，故经过一定量的形变加工后，能使受锻件整个横向面上都发生均匀的变形，发生表、里协调的再结晶，并扭转了前序精锻形成的组织缺陷，其高倍组织的再结晶晶粒得以均匀长大，偏析也得到改善，故其经侵蚀后不易出现麻坑。
对于由Φ22mm续以自由锻至Φ16mm的lO#试样，其耐蚀性居Φ22mm棒和Φ25mm棒中间，它比Φ22mm棒耐蚀性稍好，但比Φ25mm棒差，是因为其自由锻加工的形变量相对棒体比值太小，仅为3/11，而Φ25mm棒为7/12，少量的自由锻这一后续加工未能使原来的精锻组织完全转变过来，故其耐蚀性未能得到完全恢复，如图7有少量轻微的侵蚀坑。
经过退火处理的6#试样，在受强酸侵蚀后，原心部出现的麻坑群得到改善，也是因为消除了残余应力和畸变，获得了较均匀的组织，使其耐蚀性得以恢复。由此，足量的自由锻这一后续加工是改善α-Ti精锻棒材内在质量的有效方法。
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结论
(1) 该TA6Φ22mm棒中心区显露出的麻点缺陷属热加工形成的潜在缺陷。
(2)
金属材料内部组织不均匀性将导致其抗酸腐蚀能力降低。对具有优良抗蚀能力的α型钛合金TA6同样有影响。
(3) 某些精锻(快锻)热加工工艺，对于钛合金锻件形成均匀组织是有局限性的。
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