侯 睿，杨晓康，毛江虹

（西安赛特金属材料开发有限公司，陕西 西安 710299）

钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点。广泛航空、航天、化工、医疗、造船等工业。由于钛及其合金的优异抗蚀性能，良好的力学性能，以及合格的组织相容性，使它用于制作假体装置等生物材料。广泛应用于民用领域。开发出的钛合金产品几乎渗透到，现代生活衣食住行各个方面。在生产中我们发现，钛合金产品表面质量常见缺陷有过腐蚀、挂灰、氧化皮未除尽、亮线及条纹状花斑几种。

1 零件表面出现的问题

TC4钛合金零件经过氮化处理后，在零件表面发现存在明显的亮线区域。通过对零部件的各部位的观察，发现亮线在零部件长度方向连续分布，在零部件的厚度方向贯穿分布。取亮线区域表面进行宏观形貌分析，其宏观形貌如图1所示。

由图中可以看出，亮线区域呈现明显的两层特征：一层(标记为A)较明显，亮线较窄；另一层(标记为B)较浅，亮线较宽。

为了弄清楚亮线产生的原因，对亮线区域取样进行了金相组织形貌分析（表面与截面）、扫描能谱分析及各特征区域硬度分析。

图1 零部件亮线位置及宏观形貌

2 试验方法

对TC4钛合金零件在OLYMPUSPMG3倒置式金相显微镜对亮线部位进行金相显微组织分析；采用450SVD型数显维氏硬度计对正常区域和亮线部位进行测试；采用JSM6460型扫描电镜对正常区域和亮线部位进行能谱分析。

3 试验结果

3.1 显微组织形貌分析

亮线区域、基体区域表面微观组织形貌分别如图2、图3所示；亮线区域、基体区域截面微观组织形貌分别如图4、图5所示。

由图可以看出，亮线区域相比较基体区域具有明显不同的特征：基体区域呈现双态的α+β组织(见图3、图5)；而在亮线区域的A层，呈现单相组织形态，部分区域具有等轴晶粒的组织特征(见图2、图4)；在亮线区域的B层，虽呈现双态的α+β组织形态，但α相含量略多且尺寸较大。同时，对亮线的宽度进行了测量，亮线A层宽度约为71.8um～133.3um，亮线B层宽度约为359.1um～381.3um。

图2 亮线区域表面微观组织形貌

图3 基体区域表面微观组织形貌

3.2 各特征区域能谱分析

对亮线区域各层及基体进行能谱分析，在每个特征区域取3处进行能谱面扫描，之后计算出各区域能谱分析结果的平均值，如表1所示。由表中可以看出，在异常亮线A层区域无V元素，主要含有Al和Ti两种元素，且Al元素含量仅有0.84%，O元素含量为0.42%；异常亮线B层主要含有Al、V、Ti元素，与基体元素含量相比，异常亮线B层的Al元素含量与基体Al元素含量相当，但V元素含量低于基体V元素含量，O元素含量为0.30%；基体中的Al、V、O为正常值。

图4 亮线区域截面微观组织形貌

图5 基体区域截面微观组织形貌

表1 各特征区域能谱分析结果

3.3 各特征区域硬度分析

对异常亮线及基体区域进行显微维氏硬度分析，选取载荷200g，加载时间30s，硬度分析的位置如图6所示，异常亮线A层取3点(标记为1)进行硬度测试；沿亮线宽度方向向基体依次进行8点(标记为2～9)硬度测试，硬度点2～5的位置处于异常亮线B层区域，硬度点6～9的位置处于基体区域；各区域硬度测试结果取平均值如表2所示。由硬度测试结果可以看出，异常亮线A层硬度值明显高于B层及基体区域硬度值；异常亮线B层硬度值与基体区域硬度值相当。

图6 异常亮线和基体硬度测试位置

4 分析与讨论

TC4钛合金作为典型的α+β两相合金，含有6%的A与4%的V，V作为β稳定元素，其含量的多少会影响合金中β相的含量。

当V元素含量减少时，合金中的β相会减少，成为贫β区，成α单相区。这就是β区β相含量较少，A区属于α单相区的原因。

合金元素的种类与含量也会影响到显微硬度的变化，对于A区，B区中Al、V的含量都少于基体组织，但O元素的含量较大。

O元素作为间隙元素，会使钛合金具有较大的强化作用。正是由于O元素的含量比基体高，导致A区、B区的间隙元素增多，表现为显微硬度的提高。

零件表面硬度的不同，在经历抛光加工时，硬度较高的地方亮度较大，硬度较大的地方颜色较暗。

由此，出现了本实验中TC4合金零件表面的亮线问题。一般地讲，对于钛合金材料，出现局部亮线、亮条、亮斑等异常现象时，就可能存在表面硬度的不同，以及局部的合金成份有所差异。

根据GB/T 3620.1-2007（钛及钛合金牌号和化学成分）[1]，TC4合金牌号Al元素含量范围要求为5.5%～6.75%，V元素含量范围要求为3.5%～4.5%。

结合异常亮线区域能谱分析的结果可以看出，异常亮线区域A层没有V元素，仅含有Ti和Al元素，且Al元素含量仅有0.84%，合金元素明显不满足合金牌号的要求。

V元素是稳定β相元素，V元素含量增加，合金相变温度降低，在相同的工艺条件下，合金初生α相含量较少。异常亮线区域B层Al、V等主元素含量虽然满足TC4合金牌号合金成分的要求，但与基体相比，V元素含量较低，因此导致在相同加工条件下异常亮线区域B层α相含量较多。与基体相比，异常亮线区域元素含量的差异导致微观组织与基体区域不同，表现在宏观上呈现明显区别于基体的亮线区域。

5 结论

（1）综合金相组织、能谱及硬度分析的实验结果可以看出，TC4合金零件表面异常亮线产生的原因是由于Al元素缺少、V元素含量的缺失和偏析导致亮线区域微观组织与基体区域存在明显不同造成的，宏观表现为异常亮线。

表2 各特征区域硬度分析结果

（2）该偏析缺陷的成因主要与钛合金的熔炼工艺有关，偏析缺陷在铸锭生产中就已形成。目前我国钛合金生产厂家普遍采用2次真空熔炼自耗电弧炉熔炼法，电极制备过程中操作不当易引发金属污染或形成难熔的氧化物和氮化物，而电流、电压选择不当会引发熔炼过程中熔区无法实现热平衡，还会引起熔池深度的变化，从而导致海绵钛粒度不均匀、中间合金混料分布不均匀，这都会引起材料局部区域合金元素的富集与贫乏，导致该区域的相变点偏离，而在后续的热加工过程中，就逐渐演变为异常组织，形成偏析缺陷。

（3）建议铸锭熔炼前，对原料海绵钛进行筛选，保证原料的质量，调整熔炼工艺，有条件的增加熔炼次数。