TC4钛合金铸锭缩孔与富铝缺陷的相关性研究

Study on correlation between shrinkage porosity and Al-rich defects in TC4 titanium alloy

摘要

通过在铸锭中预制缩孔，经过锻造和冲压变形，研究了铸锭缩孔和富Al缺陷的相关性。对棒材中的富铝缺陷而言，实验结果表明：富Al缺陷低倍呈现暗色条带状，高倍表现为α相密集特征，缺陷区域α相含量高达88.26%，远高于正常区域的47.23%。缺陷区域存在明显的铝元素富集，能谱结果Al元素含量均值高达9.58%（质量分数，下同），明显高于正常区域5.86%。缺陷区域的平均显微硬度为401.33HV，明显高于正常区域的304.33HV。对铸锭中缩孔而言，实验结果表明：Al元素在缩孔上部富集最为明显，平均含量高达9.59%，在缩孔下部Al元素富集最轻，平均含量仅为5.33%。缩孔中Al元素富集的规律与棒材中的富Al缺陷偏析规律相对应，说明缩孔处的Al元素富集具有遗传性。

Abstract

The correlation between ingot shrinkage and Al-rich defects is studied by prefabricated shrinkage， forging and stamping deformation. For Al-rich segregation defects in bars， the results show that the dark banding is presented at low magnification via visual observation， and the dense α phase characteristic is shown at high magnification via optical microscope. The content of α phase in the defect area is 88.26%， which is much higher than 47.23% in the normal area. Besides， there is obvious enrichment of aluminum element in the defect area， and the energy spectrum results show that the average content of Al element is as high as 9.58%（mass fraction， the same below）， which is significantly higher than 5.86% in the normal area. Moreover， the average microhardness is 401.33HV， which is higher than that of the normal region 304.33HV as well. For the ingot shrinkage， the results show that the enrichment of Al element is the most obvious in the top surface part of the shrinkage cavity. The average content is as high as 9.59% in the top surface of shrinkage cavity， but is only 5.33% in the bottom surface part. The enrichment of Al elements in shrinkage of ingot corresponds to the segregation of Al-rich defects in bars， indicating that the enrichment of Al element in the shrinkage cavity is hereditary.

Graphical abstract

关键词

TC4 / 钛合金 / 缩孔 / 缺陷

Key words

TC4 / titanium alloy / shrinkage cavity / defect

钛合金因其比强度高，高温性优异，生物相容性好等优点，广泛应用于航空、航天、医疗等各个领域^［1-3］。随着钛合金的使用量不断增加，钛合金冶金缺陷的预防显得尤为重要。钛合金制备过程中常见的冶金缺陷有偏析、夹杂、孔洞等^［4-6］，该类缺陷一旦产生就会产生严重的质量事故，因此各类缺陷的形成机理和特征、再现实验和控制方法备受关注。偏析缺陷最为典型的就是β斑、富钛偏析、富铝偏析。现有研究中^［7-9］，β斑的形成机理和控制方法的研究已经十分成熟，β斑主要有两种形成机制，一种是柱状晶中的条状偏析所致，另一种是等轴晶和柱状晶转变区的偏析所致。因此，众多研究者提出了降低熔池深度，形成全柱状晶的方法来减轻或消除β斑。富钛偏析^［10］形成的主要原因：一次熔炼过程中发生海绵钛掉渣所致，此外，使用纯钛起弧料也有导致富钛偏析的风险。关于富Al偏析的研究，现有文献中大多只提及其简单特征^［11-12］，并没有针对富Al偏析缺陷再现，以及和铸锭缩孔的关系进行研究。

基于上述原因，本工作在铸锭中预制了缩孔，来研究经过锻造和变形后是否可以再现富Al偏析，并取相同工艺下相同合金的缩孔进行研究分析，以确认两者的相关性，旨在为控制和消除富Al偏析提供依据。

1 实验材料与方法

通过真空自耗电弧炉回收生产2支Φ920 mm规格TC4合金铸锭，并且2支铸锭的熔炼工艺完全相同。分别标记为1^#铸锭和2^#铸锭，其中1^#铸锭用于加工成棒材，2^#铸锭用于解剖缩孔。1^#铸锭经过开批、多火次锻造，最终获得8支Φ95 mm棒材（分别标记为1~8），随后使用MS700探伤仪对棒材进行探伤，并未发现异常。为进一步确认是否存在缺陷，取对应铸锭补缩位置的棒材（棒材1）进行连续切片，然后进行冲压变形（如图1所示），通过低倍腐蚀确认后，对表面疑似缺陷的试样进行解剖分析。

针对缺陷实验片首先使用线切割切取金相样品，经磨样、抛光、超声波清理等处理后，利用Kroll试剂进行腐蚀，腐蚀时间为5~10 s。使用奥林巴斯GX71型号金相显微镜进行组织观察和照片采集，并使用Image J软件进行了相含量分析。使用JSM-IT700HR扫描电镜进行能谱分析，使用ZAu-A维氏显微硬度计进行不同区域的显微硬度测试。

针对缩孔上部、左边、右边和下部4个不同的位置，分别取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的试样，分别针对其进行能谱分析，采用MeltFlow软件进行了铸锭熔炼的模拟，用以分析缩孔的演变和温度场的分布情况，以确认铸锭缩孔与棒材富铝偏析的对应性。

2 实验结果与分析

2.1 缺陷低倍和高倍结果

经确认缺陷位置对应棒材心部区域附近，并靠近棒材头部位置（与铸锭冒口位置对应），图2为沿缺陷中心纵剖后的低倍特征，其中，A位置相对处于B位置上方，可以看出缺陷纵剖特征在低倍上呈现出条带状特点，且低倍上偏暗，而正常区域则相比偏亮，这主要是因为缺陷位置和正常区域不同组织经腐蚀后，在光源漫反射下的作用所致，如图2中箭头所示。

为进一步确认缺陷位置的特征，对缺陷从上到下的不同位置和正常区域进行了采集，具体金相结果如图3所示。从图3（a）中可以看出，对应头部位置的缺陷区域高倍下呈现为亮条带，存在明显α相聚集特征，α相含量高达97%以上。随着从头部位置向下逐步采集金相，发现缺陷区域的亮条带范围逐步变窄，且缺陷区域的α相含量逐步减少，如图3（b）~（e）所示。图3（f）为正常区域的金相照片，可以看出与缺陷区域明显不同，正常区域表现出等轴α相均匀分布特征。进一步观察可以发现，虽然缺陷区域α相含量相比正常区域明显增加，但是缺陷区域并没有出现裂纹或孔洞情况，这也解释了为什么接触法探伤没有发现异常的原因。接触法探伤针对孔洞、裂纹、夹杂等缺陷灵敏度很高，但是针对组织差异灵敏度不高，因为其主要是利用超声波的反射进行信号确认。从金相特征可以基本确认该缺陷为α稳定元素的偏析所致。

为了进一步研究不同缺陷区域的高倍组织差异程度，选取了图3（a）~（e）缺陷区域和正常区域的图3（f）中典型组织的400 μm×300 μm区域，如图3方框所示，在200×下采集照片，利用Image J软件，进行了α相含量的定量统计分析，α相含量分析结果如图4所示。其中正常区域图3（f）中α相含量为47.23%，而缺陷区域随着过渡区域至最严重的缺陷核心区域α相含量逐步升高，在图3（a）缺陷区域α相含量高达88.26%。

2.2 缺陷能谱分析结果

图5为缺陷分析时能谱测试的位置说明图。由于TC4合金为两相合金，能谱采用点扫时会有很大的误差，因为α相和β相上本身就有明显的元素差异，因此，能谱分析采用面扫来确认缺陷区域和正常区域的成分差异。针对缺陷测试区域分别标记为1~7位置，正常区域标记为8~10。需要特别说明的是1~3位置对应缺陷纵剖后的最上部位置，4~5位置对应缺陷的中部位置，6~7位置对应缺陷最下部位置。

表1为图5对应区域的能谱测试的结果。可以看出，1~7缺陷位置Al元素含量存在偏高的现象，其中缺陷区域Al元素含量最大为10.30%（质量分数，下同），且1~7缺陷区域能谱测试的Al元素均值高达9.58%。而8~10正常区域Al元素含量最大5.86%，Al元素含量的均值仅为5.75%，明显低于缺陷区域Al元素的含量水平。

能谱分析是半定量分析方法，在相同状态下进行能谱测试，从缺陷区域和正常区域的测试结果来看，缺陷区域存在规律性Al元素高于正常区域，也能证明实际缺陷区域Al元素含量确实比正常区域高。因此，根据能谱结果基本可以断定该缺陷就是富Al偏析。此外，缺陷发生区域与铸锭预留缩孔位置基本一致，所以说明铸锭预制缩孔后，经过锻造和变形该缺陷得到了遗传。

Fig.5 EDS test region of defect region and normal region（a）top location of defect；（b）middle location of defect；（c）bottom location of defect；（d）normal location

2.3 缺陷硬度分析结果

为了进一步确认缺陷的特征，对缺陷区域和正常区域进行了显微硬度测试，其中正常区域随机测试了3个位置，缺陷区域选取了3个典型位置进行了显微硬度测试，图6所示。显微硬度的结果如表2所示，可以看出，缺陷区域的平均显微硬度为401.33HV，明显高于正常区域的平均显微硬度304.33HV。一方面，Al元素是典型的α相稳定元素^［13-14］，因此Al元素富集导致了α相的增多。另一方面，通过材料基础知识可知，Al元素具有固溶强化的作用^［15］。因此，Al元素富集区域显微硬度才明显高于正常区域。

2.4 铸锭缩孔能谱分析结果

针对上述试样片中的缺陷，已经通过实验结果证明了是富Al偏析，且对应铸锭预制的缩孔位置。但是铸锭的缩孔处是否有相同的偏析规律仍未可知，因此针对TC4合金缩孔进行了能谱分析，以确认是否与试样片偏析规律一致。

为了详细研究缩孔不同位置的元素偏析规律，图7为实际铸锭缩孔的纵剖截面图，并将缩孔的区域粗略地化分为上部、下部、左边和右边，以便确认不同的差异。

针对不同位置试样进行了能谱分析，测试位置见图8，并将能谱结果取平均值，结果汇总如表3所示。从表3中可以看出，缩孔不同位置的Al元素含量明显不同，表现出了一定的规律性。对应缩孔上部的Al元素含量最高，平均值为9.59%，缩孔左侧和右侧水平相当，均值分别是5.91%和6.14%，对应缩孔下部的Al元素含量相对最低，均值仅为5.33%。上述结果说明，铸锭中缩孔Al元素的偏析主要集中在上部位置，这也与本工作再现的富Al偏析上部最严重相对应。

缩孔上部之所以铝元素含量相比其他位置较高，主要有两方面原因，一方面铝元素饱和蒸气压相比其他元素较高，在最后的补缩缩孔中极易挥发；另一方面是补缩过程中缩孔不同位置的温度场不同，导致了上方更容易凝结Al元素。图9为通过MeltFlow软件模拟得到的铸锭温度场分布情况，可以看出缩孔的心部温度最高，且缩孔上部和其他缩孔以外部位均温度较低。随着冷却的进行，缩孔区域不断缩小，最终直至完全凝固。综合上述两方面原因可以得出结论：在补缩过程中，首先Al元素在缩孔中挥发形成Al蒸气，然后因为缩孔上方温度场较低，当达到露点时则凝结在上方表面，最终不断堆积形成富Al层。

综上所述，在铸锭中预制缩孔，经锻造和变形并不能消除缩孔处富Al偏析。因此，一旦缩孔处存在富Al偏析，若采取方法切除，则最终产品有富Al偏析的风险。在实际生产中，钛合金这种富Al偏析应彻底杜绝，因为常规的接触探伤极有可能无法发现，一旦遗传至最终产品，极有可能发生灾难性的质量事故。常有的控制方法有：优化补缩工艺，尽可能地减小甚至消除缩孔的产生；提高探伤精度，尽可能地将缩孔定位出来；铸锭机加后彻底切除缩孔，或者制定切除冒口的最低下限进行控制。

3 结论

（1）对棒材而言，富铝偏析处低倍呈现出暗色条带状，高倍表现为α相含量密集特征。缺陷区域存在明显的铝元素富集现象，铝元素含量均值高达9.58%，明显高于正常区域5.86%，且缺陷区域的平均显微硬度为401.33HV，明显高于正常区域的平均显微硬度304.33HV。

（2）对铸锭缩孔而言，Al元素的偏析最严重的位置在上部。这是因为在补缩过程中，Al元素首先在缩孔中挥发形成Al蒸气，然后因为缩孔上方温度场较低，当达到露点时则凝结在上表面，最终不断堆积形成富Al层。

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