引言

Ti80（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）是一種綜合性能良好的α+β兩相鈦合金，由于其良好的耐蝕性、強韌性、無磁性與可焊性等優(yōu)勢，Ti80合金已廣泛應(yīng)用于深潛器與艦船 [1-3] 。

Ti80合金在服役時長期浸泡在海水中，且會受海浪及海上漂浮物的沖刷和撞擊，承受巨大的沖擊載荷作用，這對材料性能要求非常高。如果服役材料微區(qū)成分不均勻，必然會引起宏觀及顯微組織的異常，而這種異常會使材料在整體上表現(xiàn)為性能不均勻，最終萌生疲勞裂紋源，降低使用壽命，對艦船的安全性也是極大隱患 [4] 。

本文探討了Ti80合金棒材低倍檢查中遇到的黑斑情況，并對其進行了分析與判定，旨在為提高生產(chǎn)質(zhì)量，為檢驗提供借鑒。

1、實驗與方法

1.1 實驗材料

筆者在對某Ti80鈦合金棒料進行低倍觀察時發(fā)現(xiàn)數(shù)個形狀不規(guī)則的黑斑。如圖1所示，推斷為冶金缺陷。為準確判定缺陷類型，進一步分析缺陷產(chǎn)生的原因，從而為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供幫助，本文對該Ti80鈦合金產(chǎn)品進行了進一步檢測分析。

該棒材原料按標準要求配料，經(jīng)三次真空自耗電弧爐熔煉，制成鑄錠，取樣分析化學成分，結(jié)果如表1所示。該結(jié)果符合技術(shù)協(xié)議要求，說明整批材料的化學成分沒有問題。然后鈦合金鑄錠在相變點以上開坯，下料后，再經(jīng)過多次墩拔鍛造，加工成成品前坯料，最后在相變點以下成型，制成成品鈦合金棒材毛坯料，經(jīng)扒皮，拋光，最后為成品棒材。送 檢時，任取一支棒材下料取樣，檢查低倍橫截面。鍛造生產(chǎn)過程均符合要求。

1.2 實驗儀器

用ZEISS Observer.A1m光學金相顯微鏡觀察棒材顯微組織。用JSM-6460鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行微區(qū)成分分析。用401MWD顯微硬度計進行顯微硬度測試。

2、結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見，Ti80鈦合金正常區(qū)域的顯微組織為α+β兩相區(qū)加工的組織，所有原始β晶界充分破碎，是典型的雙態(tài)組織；初生α含量約60%。黑斑缺陷區(qū)域的顯微組織為近β或β 相區(qū)加工組織，無初生α相，為魏氏組織，這與鈦合金中“β斑”的缺陷類型相似。因此，從顯微組織的結(jié)果我們初步判定黑斑缺陷區(qū)為偏析區(qū)域。

2.2 微區(qū)成分分析

用顯微組織檢驗完畢的試樣切取其中包含正常區(qū)和缺陷區(qū)的一小塊作為掃描電鏡試樣，進行區(qū)域標識，采用EDS（掃描電鏡的能譜儀）分別對正常區(qū)與缺陷區(qū)進行微區(qū)成分分析，并用SEM進行組織觀察，檢測區(qū)域如圖3所示，結(jié)果見表2，SEM觀察照片見圖4。

表2中的正常區(qū)域能譜分析結(jié)果驗證了整批材料化學成分的檢測結(jié)果，整批材料的化學成分是合格的。但是，在黑斑缺陷區(qū)域卻出現(xiàn)了明顯的富鉬和貧鋁元素的情況，鈦元素含量與正常區(qū)域接近。由此，我們判斷該Ti80合金棒材為貧鋁型的偏析。

2.3 硬度檢測

分別對缺陷區(qū)域和正常區(qū)域進行顯微維氏硬度測試。結(jié)果如表3所示。由表3可見，缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的硬度值未出現(xiàn)明顯偏差，缺陷處的硬度也滿足技術(shù)要求，這符合貧鋁型偏析的特點。

2.4 力學性能

該批Ti80鈦合金棒材的力學性能如表4所示，均符合技術(shù)協(xié)議要求。

2.5 超聲檢測

除上述方法外，還對黑斑區(qū)域進行了超聲檢測，經(jīng)掃查發(fā)現(xiàn)最高一處異常反射波如圖5所示。從圖中可以看出該棒材試樣超聲探傷雜波高度約10%屏幕，異常組織波高約20%屏幕，該異常波的當量為?1.2-21dB。該異常組織通過超聲檢測的方式只能夠發(fā)現(xiàn)很微弱的反射波，與正常組織的雜波之間較難區(qū)分。

因此，用超聲波探傷無法檢測該缺陷。

2.6 討論

綜合上述檢測結(jié)果，可以判斷該黑斑缺陷為β斑。從微區(qū)成分結(jié)果可以看出，Mo、Ni、Zr元素含量在β斑區(qū)和異常區(qū)均無較大差異，Al元素含量在β斑區(qū)與正常區(qū)存在顯著差別，Al元素為α穩(wěn)定元素，β斑區(qū)Al元素含量明顯偏低，因此可以判定此β斑區(qū)為貧鋁的成分偏析。

由于Al元素為α穩(wěn)定元素，Al含量的偏低就會造成該區(qū)域的相變溫度比正常區(qū)域的相變溫度偏低，基于兩相區(qū)雙重熱處理后得到的顯微組織可知，該區(qū)域與正常區(qū)的相變點差異應(yīng)大于30℃。因此，Al含量偏低區(qū)域在熱處理過程中由于整體溫度高于本區(qū)域的相變溫度，導致Al含量偏低區(qū)域的初生α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵罱K形成β斑。

根據(jù)此β斑的表現(xiàn)特點，產(chǎn)生的可能原因是Al中間合金部分顆粒過大，經(jīng)過三次VAR熔煉，未能充分熔化均勻，造成Al元素分布不均。而且此β斑分布的情況可推演出，此β斑并非 聚集于鑄錠的心部，應(yīng)該是離散性的分布于鑄錠的各個部位，且密度大 [5,6] 。

為了消除此類缺陷，建議在Ti80鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦粒度與中間合金的均勻性以及混料時化學成分的均勻性。

3、結(jié)束語

經(jīng)過顯微組織觀察、微區(qū)成分分析及掃描電鏡觀察和顯微硬度測試，確定該批Ti80鈦合金棒材為貧鋁型的β斑。

建議在Ti80鈦合金熔煉過程中，控制好海綿鈦與中間合金粒度的均勻性以及混料時化學成分的均勻性。

參考文獻

[1] 袁滿,曹玉如,張亞娟,等.Ti80鈦合金相變點的測定[J].熱加工工藝,2013,42(14):57-59,92

[2] 王云,羅登超,王莎,等.熱處理對Ti80冷軋管材力學性能和組織的影響[J].熱加工工藝,2019,48(10):200-202.

[3] 權(quán)思佳,宋克興,張斌斌,等.熱處理工藝對Ti80合金顯微組織的影響[J].材料熱處理學報,2018,39(5):44-51.

[4] 朱勤,張延生,何龍，TC4合金棒材成分偏析組織的分析與判定[J].稀有金屬快報,2007,5:37-39.

[5] 蔡建明,張旺峰.TC11鈦合金葉片上亮條和暗條的性質(zhì)及控制[J].材料工程,2005,1:16-19.

[6] 李冬梅,王曉鳳,任春燕,等.Ti80鑄錠合金元素成分均勻性的研究[J].中國鈦業(yè),2013,4:28-29.