鈦合金由於具有低密（mì）度、高比強、耐高溫、抗（kàng）腐蝕（shí）及無磁性等優（yōu）異的綜合性能，使其成為當（dāng）代航（háng）空航天領域最具前途的金屬結構材料之一。隨著鈦合金的大量應用，其冶金質量問題也（yě）日益引起業界人士的廣泛關注，於是鈦合金的冶金質量顯得越來越重要。

目前工業鈦合金80%以上以變（biàn）形鈦合金使用，如鍛（duàn）件、鍛棒及軋製型材等形式。鍛造變形是保證鈦合金材料獲得理想組織與性能的最主（zhǔ）要手段，但是不正確的鍛造（zào）工藝往往會使鈦合金產品（pǐn）出現一些（xiē）不理想的組織和冶金（jīn）缺陷，從而惡化其力（lì）學性能，給鈦合金產品的正常使用造成潛在危害，同時給生產（chǎn）及使用廠家（jiā）造成大量浪費（fèi），故研究分析各種鈦合金鍛造缺陷的形成機理，並采取有效預防（fáng）措施具有十（shí）分重要的（de）價值。

1. 鍛造熱效應（yīng）

某牌號高溫鈦合金鑄（zhù）錠在快鍛機（jī）上開坯鍛（duàn）造後，在α+β兩相（xiàng）區多火次加熱鍛（duàn）造為φ 165mm棒材，熱處理後觀察其（qí）低倍組織為模（mó）糊晶組織，顯微（wēi）組織為等軸組（zǔ）織，為理想的α+β雙相鈦合金等軸（zhóu）組織（zhī），組織（zhī）照片見圖1a。將上述φ 165mm棒材鋸切下料後，在相變點下50℃加熱後，在30kN液壓錘上將其鍛成φ 110mm×110mm方坯，隨後對方坯進行解剖分（fèn）析時，發現其心部為清晰晶，顯微組（zǔ）織照片見（jiàn）圖（tú）1b，顯微組織（zhī）為α板條+β轉，是典型魏氏組織，存在清晰的晶界，α屬於鈦合金中的過熱組織，距離表麵20～30mm為半清晰晶，顯微組織照片見圖1c，顯微組織為α板條+α等軸+β轉，α 等軸數量稀少，α板條數量居多，存在斷續分布晶界α；距離表（biǎo）麵0～20mm範圍內為（wéi）模糊晶。

某批次φ80mm規格TC4鈦合金棒材（cái），其顯微組織為典型等軸α組織（zhī）（見圖（tú）2a），初生α等軸含量達到70%以上。在940℃（合金相變點995℃）加熱錘上模鍛後，其模鍛件心部顯微組織見圖2b，初生α等軸含（hán）量僅剩餘15%左右，為鍛造（zào）溫度過熱造成。

鈦合金在相變點（diǎn）(α+β/β轉變溫度)以上變形獲得網籃組織或魏氏組織塑性、疲勞性能差，所以絕大多數鈦合金產品技術標準中要（yào）求近α 型、α +β 型雙相鈦合（hé）金成品，顯微組織一般是綜合性能較好（hǎo）的等軸組織或（huò）雙態組織，所以近α型、α+β型雙相鈦合金成（chéng）品鍛造一般選擇在相變點以（yǐ）下30～60℃加熱鍛（duàn）造。大量研究及工程實踐證明，隨著鍛造加熱溫度的升高，雙相鈦合金顯微組織中初生α等軸（zhóu）的含量明顯降低，而α板條含（hán）量（liàng）顯著增加（jiā）。也就是（shì）說雙相鈦合金在相變點以下加熱時，隨著加熱溫度升高，組織中初生α等軸逐步向β相轉變，從而導致加（jiā）熱鍛造（zào）後（hòu）的鈦合金顯微組織中初（chū）生α等軸（zhóu）含量降低、形態變小，α板條含量增多，當加（jiā）熱鍛造溫度超過鈦合（hé）金相（xiàng）變點之後，雙相鈦合金組織中的初生α等軸全（quán）部消失，為板條狀網籃（lán）組織（zhī）或（huò）魏氏組織。

鈦熱（rè）導率為0.036c a l/c m·s·℃（1cal/cm·s·℃=418.68W/cm·K），室溫時是鋁（lǚ）的1/15，鐵的1/5。鈦合金在錘上鍛造過程（chéng）中，由於瞬時變形速率大（錘上變形7~9m/s）、打擊頻率高，造成合金內（nèi）部流動應力過大（dà），消耗大量機械能短時間內轉化為內部熱量（liàng），由於坯料心部變（biàn）形較周圍大且散（sàn）熱條（tiáo）件（jiàn）差，致使坯料內部溫度升高、變形程度最大（dà）中心區域溫度接（jiē）近，甚至超過合金（jīn）相變點，導致最終坯料（liào）中心顯（xiǎn）微組織中初生（shēng）α等軸（zhóu）急劇減少，甚至全部消失，過熱嚴重時（shí）組織轉（zhuǎn）變為（wéi）性能非常差的（de）魏氏組織。以上典型兩種雙相鈦合金經過（guò）錘上鍛造後，其顯微組織中的初生α等軸含量急劇減（jiǎn）少（shǎo），α板（bǎn）條含量相應增加，顯（xiǎn）微組織由理想（xiǎng）的等軸（zhóu）組（zǔ）織轉變為較差的魏氏組（zǔ）織，主要原因就（jiù）是鈦合金在瞬時劇烈變形過程中產生過熱現象造成的。

鈦合金在（zài）鍛造變形中，一般情況（kuàng）下中心部位是劇烈變形區，所以中心是溫升最高的區域，將中心部位溫升情況作為（wéi）製訂鍛造工藝的（de）主要依據。采用鍛造速度較快的鍛錘鍛造鈦合金時，必須考慮鍛造過程中的（de）中心熱效應，不能連續重擊坯料（liào）。鈦合金鍛（duàn）造在有條件的情況下建議（yì）采用壓力機（jī）或快鍛機，該類鍛造設備打擊速（sù）度（dù）低，鍛造過程（chéng）中坯料瞬時應變速率較低，產生的變形熱不是（shì）非常明顯，同時有足夠時間進行變形熱擴散，不會導致瞬時心部溫度明顯增高。

　　2. 組織不均勻

某批次TC17鈦合金（jīn）模鍛（duàn）件進行顯微組織觀察時，發現其網籃（lán）組織中存在一定的（de）大塊狀α相（俗稱粗大α塊）見圖3。該TC17鈦合金模鍛件是采用亞（yà）β鍛造（zào）工藝生產的（相變點上40℃加熱模鍛（duàn），鍛後空（kōng）冷），期望得到顯微組織是均勻（yún）一致的網籃組織。

這種粗（cū）大α塊又稱大（dà）白塊，與網籃組織中細小的正常α條相比，在形態上表現為粗大、不均勻，由晶界向晶內生長，很（hěn）少出現交錯現（xiàn）象，其晶界麵比（bǐ）較粗糙，凹凸不平，而正常α條的晶界麵比較平滑。研究證明，這種粗大α塊的顯微硬度要比正常α條低約l0%，致使合金塑性與熱穩（wěn）定性能下降，影響了鍛件質量，所以必須（xū）防止在鈦合金中出現這種（zhǒng）不均勻組織。鈦合金在熔煉凝（níng）固過程中，由於各類合金元素的平衡分配係數≠1，致使後凝固的晶界處有α穩定元素富集與偏析，所以在（zài）其（qí）富集處α相首先析（xī）出，並沿晶界向晶內生長，從而（ér）形成了粗大α塊，微區成分偏析是產生這種不均勻組織（zhī）的根本原因。

微區成分（fèn）結晶偏析是由於平衡分配係數k0>1或k0<1造成的，合金先後結晶區域溶質濃度不（bú）同形成的偏析屬於正常偏析，這種偏析很難完全（quán）避免（miǎn），但可用適當措施加以控製。一方麵通過改（gǎi）進優化鑄錠熔煉工藝參數加以控（kòng）製，另一方麵通過適當（dāng）的鍛造工藝加以改善消除。鍛造工（gōng）藝方麵，首先在其鑄錠開坯鍛造時，采用（yòng）適當的高溫均勻化處理，對於鑄錠柱狀組織區域的微觀晶內枝晶偏析通過均（jun1）勻化退火或變形再結（jié）晶改善和消除；其次在合金坯料及成品模鍛過程（chéng）中采用適當的鍛後冷卻方式加（jiā）以控製，抑製其顯微組織中出現粗大α塊。上述TC17鈦合（hé）金鍛件在亞β模鍛後，采用空冷是其出現粗大α塊的誘（yòu）因，鍛後冷卻速度慢，過冷度小，形核率低，因而α相（xiàng）有足夠時間長大形成粗大α塊（kuài）。

亞β鍛後采用快冷（水冷或油冷）可明顯減輕或抑製粗大α塊出現，加快冷卻速度、增加（jiā）過冷（lěng）度，可提高α相形核率，盡管局部區域存在（zài）合金元素偏聚，具備生長粗大α塊的條件，但α相還沒來得及長大與（yǔ）兼（jiān）並，整個組織的（de）相變過程已經結束（shù）了，控製冷速可以顯著改變析（xī）出α相形態與（yǔ）分布規律。鍛後水冷或油冷將鍛造產生的晶體缺陷（位錯、亞晶）和位錯密度（dù）增加的變形組（zǔ）織全部或部分固定到室溫，為隨後熱處理過程中再結晶增加了大量的結晶（jīng）核心，在隨後熱處理時，β相的析出機製由空冷條件（jiàn）下的感（gǎn）生形核機製變為獨立形（xíng）核方式，得到細小、混亂、交織的條狀初（chū）生α和次生α，這種組織可以顯著（zhe）提高合金的綜合性能。

　3. 空洞型缺陷

某批次φ70mm規格TA7鈦合金棒材在出廠超聲波檢測時發現超標（biāo）缺陷波，對其缺陷位置解剖後進行了橫向低（dī）倍檢查，腐蝕後低倍上發現大量“麻坑”，主要就集中在（zài）棒材中心區（qū）域，棒材1/4半徑之（zhī）外區域（yù）則未發現“麻坑”。隨後對麻坑處進行了高倍觀察，發（fā）現（xiàn）其為晶間空洞類缺（quē）陷，缺陷處顯微組織照片見圖（tú）4。有的研究認（rèn）為“麻坑”現象與腐蝕有關, 隨腐蝕時間（jiān）增加，“麻坑”現（xiàn）象越明顯；也有的研究（jiū）認為（wéi）“麻坑”可能與雜質元素Fe 含量較多（duō）有關。但是上述觀點很難解釋超聲波檢測存在超標（biāo）缺陷波的現象及高倍分析中發現的空洞現象。

大量工程實踐證明，TA7鍛造工藝性（xìng）能較其他TC4、TC11等鈦（tài）合金要差，鍛造過（guò）程中比其他鈦合金更易發生開裂，且裂紋擴展速率（lǜ）快。鈦（tài）、鋁合金等金屬材料（liào）在（zài）進行大應變（如超塑成形）時易誘（yòu）發疏（shū）鬆，出現空洞甚至發生斷裂，TA7鈦合金中空洞就是大應變誘發產生的。在高應變（biàn）率下，TA7鈦合金的流變（biàn）應力較靜（jìng）態下顯著增加，但塑性顯著降低；隨著應變率增加，流變應力應變增加，但存在一個臨界應（yīng）變率，超（chāo）過臨界值，材料將發生斷裂；當應變率達到臨界值時，材料中產生（shēng）絕熱剪切帶（dài），並在帶中形成微空洞（dòng），在外加應力作用下，空（kōng）洞逐步聚集長大甚至形成微裂紋。微空洞總是沿最大剪切變（biàn）帶形成，這是因為在局域化變形中（zhōng）， 最大剪切帶內（nèi）變形劇烈從而溫度較高，使帶內材料軟化，成為裂紋、空洞等缺陷產生的理想場所，TA7棒材在（zài）鍛造過程中棒材中心區域變（biàn）形量最（zuì）大且變形熱擴散最慢，變形溫度最高，故在大（dà）變形過程中最易出現空洞。

研究表明，金屬材料塑性變形過程中伴隨著組織形態的變化，主要有晶（jīng）粒長大、等軸晶拉長、晶粒（lì）轉動和滑動、位（wèi）錯增殖、動態回複和再結（jié）晶及空洞形核和長大等。晶界滑移是塑性變形的（de）主要機製，晶界滑移會引起局（jú）部應力集中，阻礙晶界（jiè）滑移的進一（yī）步發生，當應力集中無法借助位錯運動消除時，空洞就會形核，繼而發生長大。空洞優（yōu）先在三角晶（jīng）界處形核，隨著變形量增加，空（kōng）洞開始（shǐ）長大，且空洞並非以（yǐ）等軸狀態長大，而是以橢圓形的方式（shì）長大。空洞易向平行拉應力分享的晶界擴散，從而在拉應力方（fāng）向形成定向的空位流，不斷向空洞（dòng）中心聚集（jí），使空（kōng）洞得以沿平行於拉伸方向長大。大量（liàng）文獻中提到該合金鍛造過程中易出現“麻點”和空洞，通過對TA7鈦合金“麻點”及孔（kǒng）洞類缺陷形成機理分析，我們總結出了（le）一套防止TA7鈦合金鍛件空洞類缺陷（xiàn）的有效辦法，就是嚴格控製每火次變形量≤50%，嚴格控製變形速率，最好采用油壓機或水壓機鍛造，盡（jìn）量避免采用錘上鍛造，在生（shēng）產中（zhōng）取得了良好效果。

　　4. 結（jié）語

目前鈦合金中常見（jiàn）的（de）鍛造缺陷主要有組織過熱及不均、空洞、裂紋等，這些（xiē）缺陷一（yī）般（bān）在鈦合金產品（pǐn）顯微組織檢查或（huò）超聲（shēng）波檢（jiǎn）測中很（hěn）易發現，主要是在（zài）鈦合金產品鍛造過程中（zhōng）工藝參數控製不當形成的，所（suǒ）以在鍛造過程中需依據不同特（tè）性的鈦合金材料選擇合適的變形速率（鍛造設備）、加熱鍛造（zào）溫度、道次變形量及鍛後冷卻（què）速度（dù）。

作者簡介： 張（zhāng）利軍、郭凱、張晨（chén）輝，西安（ān）西工大超（chāo）晶科（kē）技發（fā）展有限責任公（gōng）司。

何春豔，西部（bù）鈦業（yè）有限責（zé）任公司質量管理部。