纯钛板材裂纹与铸锭质量关联性研究

戴 山，张 薇，吴 东，曲家东，赵兵兵，高尚飞，邓作鹏

纯钛板材裂纹与铸锭质量关联性研究

戴 山1，张 薇2，吴 东1，曲家东1，赵兵兵1，高尚飞1，邓作鹏1

（1.中铝沈阳有色金属加工有限公司, 辽宁 沈阳 110100；2.沈阳飞机工业（集团)有限公司，辽宁 沈阳 110000）

利用金相显微镜、扫描电镜及EDS能谱仪等多种测试方法，分析板材线性缺陷形貌特征、形成机理，指出铸锭质量对板材表面影响因素，进而提出自耗炉在纵向磁场作用下非金属夹杂凝固模型。此外，用纯钛类铸锭一次锭处理对模型进行验证。

纯钛；线性裂纹；非金属夹杂；表面处理

纯钛类板材是用海绵钛作为原料，经两次自耗炉熔炼、锻造、轧制后得到的产品，但钛板材加工使用过程中经常会出现线性裂纹、缩松、翘皮等缺陷[1-4]，其中线性裂纹出现概率最为广泛，对板材产出影响最为严重，李献军[5]研究表明：经多次真空自耗电弧炉熔炼可有效均匀化、去除挥发性物质和非金属杂质，保证最终板带材产品质量，但加工成本大幅度增加；王瑞琴等[6]提出用砂光设备进行板材砂光处理，然后进行表面喷砂，但砂光、喷沙后表面色差难以消除，影响最终产品质量，因此分析其缺陷特征、形成机理及预防措施，保证最终产品质量和经济成本尤为重要。

1 实验方案

选用5 mm厚度退火酸洗态商用工业纯钛TA1板材为实验对象，取有无缺陷2种试样，经宏微观观察、能谱分析及硬度测试，确定板材线性缺陷类型及失效原因。

2 组织观察及分析

2.1 表面裂纹宏观形貌观察

如图1所示：缺陷板材可见纵向线性缺陷，长度约为100 mm，缺陷头尾两端显示清晰，深度稍深，且可见薄片分层现象，由于酸洗，缺陷位置稍黄，卷材表面粗糙，正常卷材表面形貌细腻，未见线性缺陷。

图1 纯钛板材宏观形貌图

2.2 表面裂纹微观观察

图2所示：缺陷处可见开裂特征，微观呈滑移特征，由于试样已被酸洗，缺陷处断裂特征不典型，主要表现出腐蚀的形貌。图3可见大量的晶粒特征，且晶面光滑，还可见滑移特征，与故障卷材表面形貌差异较大。

图2 纯钛板材线性缺陷微观形貌

图3 纯钛板材无缺陷微观形貌图

2.3 金相组织观察

对有线性缺陷试样金相腐蚀后进行高倍组织观察，见图4(a、b)。缺陷区域裂纹存在较薄的富氧层，厚度约为6 μm，且富氧层发生开裂，表面相对较粗糙；心部组织呈单相α等轴晶，晶粒内部呈类似魏氏组织特征。如图4(c、d)所示，无缺陷板材表面除了酸洗腐蚀坑外，相对较平坦；心部晶粒均匀，少量晶粒内部可见类似魏氏组织特征。

图4 纯钛板材线性有无缺陷金相组织

如图5对缺陷板材处各个区域进行能谱分析，可知裂纹处除了含有Ti元素外，还含有大量的O元素和F元素，其它位置未见异常元素，见表1。

2.4 硬度测试

在线性缺陷板材进行维氏硬度测试，测试位置和结果见图6。由测试结果可知，线性缺陷板材表层硬度范围为162~206 HB，平均值为181 HB，近表层和心部硬度范围为102~129 HB，心部硬度平均值为107 HB，远小于表层硬度。

表1 线性缺陷能谱分析结果 %

图5 线性缺陷形貌

图6 线性缺陷区域硬度测试

3 分析与讨论

板材线性裂纹方向与轧制方向一致，板面裂纹数量不定，长短不一，形状近似椭圆形，成开口状裂开，缺陷仅为浅表裂纹，并伴有细微二次裂纹，裂纹处除Ti元素外，还含有大量的O元素和F元素，其他位置未见异常元素，裂纹表面处维氏硬度远高于板材内部硬度值。裂纹处存在于基体界面分明不规则块状物，由以上分析，可判断此缺陷应为非金属夹杂物，由于夹杂物不能固溶基体或形成金属间化合物，从而破坏金属基体连续性，降低界面结合力，在塑性变形过程中金属流动不一致，非金属夹杂与基体间形成线性裂纹。

非金属夹杂是铸锭冶金缺陷，具有较高硬度和脆性[7-9]，其产生原因繁多，但如何保证后续板材质量是本文研究重点，通过对自耗炉外加磁场金属凝固过程进行研究，发现在磁场剪切力作用下，金属间的氧化夹杂到达熔池边缘，易于达到形核过冷度，发生非均匀形核，如图7所示。在自耗炉一次熔炼后，增加表面车光工序，将一次锭表面夹杂去掉后在进行二次熔炼，基本解决夹杂对后续板材生产影响。

→－熔炼电流I的方向；－磁场力F的方向；B－磁场方向；⊙－穏弧电流方向

图8 产品表面实例图

纯钛类板材共进行11批次一次锭车光、轧制实验，工序过程如图8所示。板材整卷缺陷统计见表2。

表2 一次锭处理表面缺陷统计表

4 结论

（1）基于纯钛板材缺陷特征，结合非金属夹杂特性，推导出非金属夹杂在自耗炉金属熔池纵向磁场作业下凝固模型；

（2）纯钛铸锭一次锭处理试验表明，铸锭经一次锭处理后，可解决非金属夹杂产生线性缺陷对板材影响。

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Correlation Between Linear Crack and Quality of Ingot in Pure Titanium Plate

DAI Shan1, ZHANG Wei2, WU Dong1, QU Jia-dong1, ZHAO Bing-bing1, GAO shang-fei1, DENG Zuo-peng1

(1. Chinalco Shenyang Non-ferrous Metals Processing Co.,Ltd .., Shenyang 110100, China;2.Shenyang Aircraft Industry (Group) Co.,Ltd.., Shenyang 110000, China）

The morphology and formation mechanism of linear crack were analyzed by means of metallographic microscope, scanning electron microscopy(SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The results exhibit that influencing factors are between quantity of ingot and plate surface, the non-metallic model is formed during solidification when self-consuming furnace is influenced by electric field (longitudinal direction). Furthermore, the proposed model is validated by once ingot treatment of the pure ingot under this circumstance.

pure titanium; linear crack; non-metallic inclusion; surface treatment

TG339

A

1674-3261(2021)01-0034-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.01.008

2020-01-17

戴山(1986-)，男，辽宁铁岭人，工程师，硕士。

责任编校：刘亚兵