TC17钛合金中的偏析现象研究

李 维，贠鹏飞，侯 鹏，廖 强，李进元，李 楠，蒲 宣

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

0 引言

钛合金作为一种重要的结构材料，因其综合性能（比强度、抗腐蚀性、热强性）优异，被广泛地应用于航空航天领域［1，2］。TC17合金是一种综合性能优良的近β型合金，该合金不但具有较高的强度、断裂韧性、热稳定性及疲劳性能，而且淬透性高、热加工性能好［3］。自20世纪70年代以来，该合金以优异的性能逐渐进入航空制造领域，并作为压气机盘等锻件的材料在较高推力的发动机上使用［4－6］。由于该合金中添加了大量的合金元素，熔炼过程如控制不当，极易产生偏析。因此有必要对其中偏析的形貌、合金元素的富集状况及分布规律进行研究，以便针对性地优化目前的熔炼工艺，为生产优质的TC17钛合金奠定理论基础。

1 试验

1.1 试验材料

试验所用TC17铸锭由西部钛业有限责任公司生产，铸锭直径为Φ620mm，经3次真空自耗熔炼而成，对该铸锭上、中、下3点圆周进行取样分析，其化学成分符合G/BT3620.1－2007标准要求。

用金相法测得该铸锭的相变点为875℃～880℃。铸锭经扒皮、切除冒口及锭底后转入锻造工序。用2 500t压机对铸锭进行β单相区开坯、近β区拔长、滚圆。用SX-16精锻机在а＋β两相区将滚圆坯料精锻至Φ60mm，最终采用250轧机在相变点以下40℃～50℃轧制分别制得Φ32mm和Φ17mm两种规格的棒材，并机加成Φ30mm和Φ15mm的成品棒材。

1.2 试验方法

对成品棒材进行低倍组织检验，对低倍存在问题的部分制备高倍试样，在OLYMPUS PMG3金相显微镜进行试样金相组织观察，利用能谱（EDS）对异样部位进行分析。

2 结果与分析

2.1 低倍组织和高倍组织

在两种规格棒材上切取低倍试样，进行低倍组织观察，图1为两种TC17棒材的低倍组织，结果表明低倍组织均存在亮斑。由图1（a）可见Ф30棒材的亮斑分布在距离圆心17mm范围内，由图1（b）可见Ф15棒材的亮斑分布在距离圆心8mm范围内。进一步对上述两种规格的棒材进行高倍检查，两种规格TC17棒材的偏析处的高倍组织见图2。

图1 TC17棒材的低倍组织

观察图2，可以发现亮斑处的组织在放大倍数为100倍时呈现为条状或块状白斑，当放大倍数为500倍时可以明显地看到偏析处的组织为魏氏组织。在高倍分析时对偏析区域的尺寸进行测量，结果表明Ф15 mm棒材中偏析区域的尺寸相对较小，尺寸范围在（118～265）mm×（51～131）mm；Ф30mm棒材中偏析区域的尺寸相对较大，尺寸范围在（220～530）mm×（62～298）mm。

2.2 对亮斑进行能谱分析

为了进一步明确偏析处的元素分布状况，分别对亮斑区及正常区域的主元素进行了能谱分析，利用能谱分析测定亮斑区与基体区的合金元素的含量。对基体和亮斑区各选取6个点进行测试，1号～6号为基体测量数据，7号～12号为亮斑区测试结果。基体与亮斑区合金元素测量结果见图3。由图3表明：亮斑区Al、Sn、Zr的质量分数与基体基本相当；亮斑区Mo含量略低于基体；亮斑区Cr的质量分数与基体相比明显偏高。

图2 两种规格TC17棒材偏析处的高倍组织

图3 基体与亮斑区合金元素测量结果

将基体与亮斑区的主元素测量结果与标准要求进行对比，结果见表1。由表1可见：不管是基体还是亮斑区，Sn、Zr、Mo三种元素的质量分数均在标准要求范围内；Al在基体和亮斑区的质量分数均略高于标准值；Cr在基体的质量分数在标准值范围内，但在亮斑区的质量分数明显高于基体，当然也明显高于标准要求值。

表1 能谱分析结果与标准要求对比（质量分数）%

根据钛合金相图和合金的凝固理论，在正常的凝固条件下，偏析系数K≥1的合金元素不容易出现偏析，除非熔炼过程中合金元素和中间合金未能充分均匀化；K＜1的合金元素，即使熔融状态下合金是均匀的，但在凝固过程中同一温度下固相成分和液相成分仍存在差别，液相中元素含量总是高于固相，导致容易在铸锭中心和头部产生偏析。

另外偏析的元素及偏析程度决定了偏析区的实际β相变温度，文献［7］表明：在Cr的质量分数为0%～7%范围内，Cr的质量分数每增加1%，其相变点降低26℃。因此，当锻件在热加工或随后的热处理过程中，加热温度接近相变点时，就可能造成偏析区域超过了相变点，出现β斑。

综上所述，试验中两种规格棒材中心区域出现β斑（亮斑）与熔炼及后续热加工温度有关。为了提高铸锭的均匀性，比较有效的办法是降低熔化电流、减缓熔炼速度、使熔池深度减小呈扁平状以缩小等轴晶区域，同时铸锭不宜过大，因为直径越大等轴晶区也越大。为了避免出现β斑，合金最大直径不宜超过720mm；在热加工和热处理时应该严格限制加热的上限，减少变形热效应，以使偏析区域缺乏产生β斑的必要条件，从而降低危害。

3 结论

（1）两种规格TC17钛合金棒材低倍观察到的亮斑在高倍下呈现为β斑。

（2）β斑的形成原因是Cr存在偏析现象，且在偏析区域的含量明显高于基体，从而导致偏析区域相变点低于基体。

（3）偏析主要集中在铸锭的中心及头部。

（4）对于TC17钛合金要控制偏析，应尽量控制熔炼和后续的热加工和热处理过程。

［1］铁军，史栋刚，张勇，等.TC4＋TC17线性摩擦焊接头的微观组织与力学性能［J］.航空材料学报，2009，29（4）：33-37.

［2］周建华，王晓英，徐斌，等.TC17钛合金热变形过程中片状组织演变规律［J］.钛工业进展，2012，29（5）：15-18.

［3］刘小春，郭志军，王红武，等.固溶处理对TC17合金组织与性能的影响［J］.钛工业进展，2006，23（4）：5-7.

［4］周军，曾卫东，舒滢，等.应用热加工图研究TC17合金片状组织球化规律［J］.稀有金属材料与工程，2006，35（2）：265-269.

［5］岳旭，冯浩，马恩惠，等.Ti-17钛合金Φ350mm规格棒材锻造工艺研究［J］.工艺技术研究，2012（4）：16-19.

［6］岳旭，黄德超，宋蕊池，等.TC17钛合金棒材低倍组织亮斑研究［J］.企业论坛，2013（2）：43-45.

［7］陈可越.钛、钛合金与钛合金制品生产新技术新工艺流程及质量检验新标准实用手册［M］.银川：宁夏大地音像出版社，2005.