1.2 TC2卡箍和整流叶片的锻造应变线

TC2卡箍和整流叶片经机加后进行金相检验, 发现在零件表面存在周向和纵向的亮条缺陷显示, 其宏观形貌如图2所示。

从 TC2卡箍和整流叶片分别取样,并对其进行 金相检验,结果如图 3,4 所示。由图 3 可知,TC2 卡 箍亮条缺陷处的显微组织存在明显的方向性,放 图1 TC1环形锻件显微组织形貌 大后观察,可见其组织较细密。由图 4 可知,TC2 整流叶片亮条缺陷处的显微组织同样存在明显的方 向性,α和β相均呈拉长形貌,整流叶片周围正常区 域的显微组织为等轴组织。

分别对 TC2卡箍和整流叶片进行显微硬度测 试和能谱分析,结果如表1所示,可见 TC2卡箍和 整流叶片亮条缺陷处与周围正常区域的显微硬度测 试结果和能谱分析结果没有明显差异,因此可以判 定 TC2卡箍和整流叶片的亮条缺陷均为锻造过程 中产生的应变线。

1.3 TC2导向叶片表面的富钛偏析

TC2低压进气导向叶片经机加工后进行金相 检验,发现在零件表面存在纵向的亮条缺陷,其宏 观形貌如图5所示,可见缺陷处组织较粗大,无机 械变形特征,缺陷区域的长度约为35mm,宽度约 为5mm。

从 TC2低压进气导向叶片截取试样,沿叶片横 截面制样,然后对其进行金相检验,结果如图6所 示。由图6可知,缺陷处的组织与正常区域的组织 存在明显差异,缺陷处的组织深度为0.3mm,为粗 大的α晶粒组成的贫β相区。

分别对 TC2低压进气导向叶片亮条缺陷处和 周围正常区域进行显微硬度测试,结果显示缺陷处 显 微 硬 度 为 245 HV,正 常 区 域 显 微 硬 度 为 274HV,缺陷处显微硬度略低于周围正常区域。

采用电子探针对 TC2低压进气导向叶片亮条 缺陷处和周围正常区域进行成分分析,发现缺陷处 钛元 素 质 量 分 数 为 94.50%,铝 元 素 质 量 分 数 为 4.67%,而 周 围 正 常 区 域 的 钛 元 素 质 量 分 数 为 91.66%,铝元素质量分数为4.83%,判断亮条缺陷 属于富钛偏析。这种缺陷的形成与原材料的冶炼过 程有关,在合金熔炼时,合金元素扩散不充分,局部 形成富集或贫化,导致元素偏析。改进原材料的冶 炼工艺可以避免产生这种偏析缺陷。

1.4 TC6锻造叶片的β斑

TC6锻造叶片经机械加工后进行金相检验,发 现零件表面存在暗条缺陷,其宏观及显微组织形貌 如图7所示,可见暗条缺陷处初生α相含量明显低 于周围正常区域。

对 TC6锻造叶片进行显微硬度测试,发现暗条 缺陷处显微硬度为289HV,周围正常区域显微硬 度为311HV,暗条缺陷处显微硬度略低于周围正 常区域。

采用电子探针对 TC6锻造叶片暗条缺陷处和 周围正常区域进行成分分析,发现缺陷处钼元素质 量分数为4.12%,周围正常区域钼元素质量分数为 2.78%,缺陷处钼元素质量分数明显高于周围正常 区域。当β相稳定元素钒、钼等发生偏析后,降低了 偏析区域的相变温度,合金在加热时易优先发生 α 相向β相转变,产生暗条缺陷,即所谓的β斑。这种 缺陷的形成同样与原材料冶炼过程有关,可以采用 改进原材料冶炼工艺的方法来避免产生这种偏析 缺陷。

1.5 TC6叶片钎焊和抛光后的烧伤

某批次 TC6叶片在阻尼台上钎焊耐磨硬质合 金块后,发现阻尼台附近的叶身表面出现了“白斑” 形貌(见图8)。对“白斑”区域及周围正常区域进行 金相检验,结果如图9所示。由图9可知:在显微镜 下无论如何调焦,“白斑”区域的组织均模糊不清;周 围正常区域的显微组织为双态组织。

对钎焊后的 TC6叶片进行显微硬度测试,发现 “白斑”区域的显微硬度为363 HV,周围正常区域 的 显微硬度为318HV,“白斑”区域的显微硬度明 显高于周围正常区域,表明“白斑”缺陷是因焊接烧 伤而形成的。

某批次 TC6叶片在抛光后发现“白斑”形貌(见 图10)。对“白斑”区域和周围正常区域进行金相检 验,结果如图11所示。由图11可知,“白斑”区域和 周围正常区域均为等轴组织。

对抛光后的 TC6叶片进行显微硬度测试,发现 “白斑”区域的显微硬度为313 HV,周围正常区域 的显微硬度为347HV,“白斑”区域的显微硬度低 于周围正常区域。钛合金导热性差,故钛合金叶片 在抛光时,如果操作不当,很容易造成零件表面产生 的热量不能及时传导,使零件小范围内温度升高而 形成抛光烧伤,较轻微的仅有表面烧伤,严重时会形 成穿透性烧伤。

1.6 TC6叶片表面α层导致加工时发生断裂

α层是富集氧、氮、碳元素的稳定表面层,是一 种硬脆相,一般认为其是有害相。

某批次 TC6钛合金叶片在铣榫头装夹过程中, 多件叶片发生断裂,叶片断裂处刚好位于夹具和叶 片的接触点。叶片断口的宏观及微观形貌如图12 所示,可见叶片断裂起源于叶背的装夹接触点,断口 源区未见冶金缺陷,呈沿晶脆断特征。

从叶片断口截面处取样进行金相检验,可见叶背 表面有多处微裂纹,裂纹内部未见氧化特征[见图 13a)],叶背近表面可见α层,微裂纹均在α层之内[见 图13b)]。叶片在装夹过程中夹具与叶片的接触点容 易产生应力集中,又因α层具有硬而脆的特性,故在应 力作用下容易萌生微裂纹,最终导致叶片断裂。

2 综合分析

2.1 常见缺陷的分类与特点

钛合金常见缺陷主要有3大类,包括冶金缺陷、 工艺缺陷和表面缺陷。

冶金缺陷一般包括金属夹杂、非金属夹杂、化学 成分偏析和孔洞等[8],这类缺陷在发生位置上一般 是局部的,且形态不一,可能是块状、点状、线状或条 状;工艺缺陷产生的范围则相对较广,在锻造、铸造、 焊接、热处理、电加工、机械加工中都有可能产生,其 形态也各 不 相 同,需 要 在 日 常 检 验 过 程 中 多 加 鉴 别[9] ;表面缺陷主要是因钛合金化学活性较高,容易 与周围环境介质发生反应而产生的,其中危害最大 的是氧、氮、氢等气体的污染,这类气体污染都会导 致钛合金的硬度增加,在实际生产过程中也经常出 现表面缺陷,比如刮碰、操作失误等造成的钛合金零 件表面凹陷、裂纹、尺寸超差等[10],这类表面缺陷基 本都伴随着宏观塑性变形,且缺陷表面都能看到明 显的金属光泽。

2.2 常见锻造缺陷及其鉴别

钛合金的锻造缺陷主要有折叠、裂纹、变形不均 匀等[6-7]。一般情况下,锻造形成的折叠或裂纹内部 有氧化物夹杂,特点是裂纹两侧呈现白亮带,组织为 富氧的α层,β层则相对较少。变形不均匀的产生 原因为:钛合金存在着严重的黏模现象,尤其是当模 具表面粗糙度大或润滑不良时,都会阻碍金属流动,造成锻件表面与内部变形的不均匀;钛合金导热性 差,锻件内部温度不均匀,高温区易变形,低温区难 变形,导致了变形的不均匀。变形不均匀会导致锻 件的晶粒度不同,变形量大的部位晶粒细小,反之晶 粒较大,变形不均匀还会导致锻件的初生α相含量 有所差别,高温区初生α相较低温区要少一些。

对于圆饼形模锻件,当其变形量较大时,锻件的 轴径向剖面经低倍腐蚀后可见 X 型应变线,可将其 分为剧烈变形区、一般变形区和变形死区,对应的显 微组织和性能亦有差别;而对于较薄的模锻件,如叶 片类零件,这种应变线会暴露在表面,腐蚀后可见沿 纵向的亮条或暗条,这是经剧烈变形细化后组织的 特征。一般来说,这种轻微应变线所形成的亮条或 暗条对零件的使用性能影响不大,不作为组织缺陷 处理,但在对其进行判断时,要注意与成分和组织偏 析所形成的亮条缺陷区分开来,避免误判。

3 结语与建议

从上述案例分析结果可知,在实际制造过程中, 钛合金在金相检验中的常见缺陷主要有清晰晶、应 变线、偏析(富钛、β斑)、α层以及焊接、磨削和抛光 等产生的过热过烧等,这些缺陷有因热加工过程操 作不当而导致的,也有原材料遗留下来的,还有加工 制造过程中因参数选择不当而产生的。

原材料缺陷可以由加强冶炼工艺控制来从源头上避免,而制造过程中发现的缺陷则需要考虑工艺 是否安排恰当,或者工艺参数是否合理,从这些方面 的改进来避免缺陷的发生。

参考文献:

[1] 邓炬.钛与航空[J].钛工业进展,2004,21(2):6-15.

[2] 北京航空材料研究院.航空材料技术[M].北京:航空 工业出版社,2013.

[3] 刘丽玉,张银东,高翔宇,等.TC17钛合金压气机鼓筒 篦齿裂 纹 分 析 研 究 [J].失 效 分 析 与 预 防,2019,14 (5):315-320.

[4] 肖珺.钛合金锻造工艺的现状与发展[J].化学工程与 装备,2010(3):130-131.

[5] 毛彭龄.钛合金的断裂韧性[J].上海钢研,1994(3): 51-54.

[6] 刘兴旺.钛合金常见锻造缺陷及预防策略[J].黑龙江 科技信息,2016(3):28.

[7] 张利军,郭凯,张晨辉,等.钛合金常见锻造缺陷及预 防[J].金属加工(热加工),2014(11):80-82.

[8] 张利军,何春艳,薛祥义,等.钛合金冶金缺陷实例分 析[J].理化检验(物理分册),2013,49(12):819-822.

[9] 赵宇,吉日嘎兰图,陈莉.TC4钛合金的 TIG 焊接工 艺及缺陷分析[J].焊接,2005(12):55-58.

[10] 于新年,孙福权,刘新宇,等.钛合金表面缺陷的激光 熔覆修复研究[J].航空制造技术,2011,54(16):116- 118.

材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 9期 (pp:14-19)>返回搜狐，查看更多