GR2純鈦棒材點(diǎn)狀缺陷分析

引言

GR2純鈦具有密度小、耐腐蝕性好和人體親和性較好等特點(diǎn)，可以用來制作手表框及表蓋。由于手表兼具裝飾性功能，對(duì)手表用鈦材的表面和組織均勻性要求較高，如果材料存在組織不均勻或其他缺陷時(shí)，會(huì)影響成品的美觀和使用。

GR2純鈦棒材在平端頭工序中，會(huì)出現(xiàn)如圖１所示缺陷，此類缺陷呈點(diǎn)狀，不規(guī)則地分布在棒材端部，且會(huì)沿棒材縱向延伸，延伸長(zhǎng)度依據(jù)缺陷大小而定。此類缺陷在端面打磨、拋光后更加明顯，呈浮凸?fàn)睢D２所示為帶有缺陷的GR2純鈦棒材制成表蓋后點(diǎn)狀缺陷的形貌。從圖中可見，棒材經(jīng)過切斷、鍛壓、沖壓、打磨、拋光后，點(diǎn)狀缺陷并沒有消除，反而更加明顯，嚴(yán)重影響了手表的美觀和使用。因此，分別對(duì)此類典型缺陷的化學(xué)成分、顯微組織和維氏硬度等進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)點(diǎn)狀缺陷產(chǎn)生的原因及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行分析，以期能夠解決此類問題。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為GR2純鈦棒材，規(guī)格為φ20ｍｍ，化學(xué)成分如表１所示。棒材端面典型點(diǎn)狀缺陷見圖３，圖中可見ａ、ｂ兩處缺陷，觀察發(fā)現(xiàn)ａ處缺陷顏色較深，與基體反差較大；表面有凸起現(xiàn)象，并有孔洞；且分布集中，呈塊狀區(qū)域。ｂ處缺陷呈發(fā)散狀，分布區(qū)域較大，表面有凸起現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步分析缺陷區(qū)域與基體組織的差異，沿典型缺陷ａ區(qū)和ｂ區(qū)中心部位（圖３中畫線位置）沿棒材縱向切割。采用OLYMPUSPMG3型倒置式顯微鏡觀察其斷面顯微組織；采用401MWD型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量ａ、ｂ兩處缺陷和基體的顯微硬度，保壓時(shí)間為30ｓ，加載載荷為300ｇ；采用JSM-6460掃描電鏡的EDS附件分析缺陷區(qū)域的化學(xué)成分；采用島津公司EPMA-1600型探針顯微分析儀（EPMA）對(duì)ａ區(qū)縱向微量元素進(jìn)行定量分析。

2、結(jié)果與討論

2.１　縱向顯微組織分析

缺陷樣品沿縱向切割后的顯微組織如圖４所示，放大倍數(shù)均為50倍。圖４ａ、ｂ、ｃ分別為缺陷ａ區(qū)上端面、中部和下端面的顯微組織，圖４ｄ、ｅ、ｆ分別為缺陷ｂ區(qū)上端面、中部和下端面的顯微組織。

由縱向顯微組織可以看出，缺陷ａ區(qū)和缺陷ｂ區(qū)均呈條帶狀，沿棒材縱向延伸，有一定的區(qū)域性；缺陷以外的基體組織為典型純鈦等軸α組織，晶粒等級(jí)約為９級(jí)，晶粒大小均勻，晶界清晰，并且無“沿縱向延伸”這種現(xiàn)象。

圖４ａ中缺陷ａ區(qū)可見明顯孔洞，并且沿縱向拉長(zhǎng)；從圖４ｂ、ｃ可以看出，缺陷ａ區(qū)縱向中部和下端面部沒有孔洞，但是金相組織同周圍正常部位相比呈現(xiàn)出異常，可看到沿著棒材縱向有明顯的條帶狀延伸，有明顯的區(qū)域性，邊界清晰，呈集束狀；

集束內(nèi)的顯微組織無論形貌還是晶粒大小都與兩邊基體組織一致，只是在集束區(qū)內(nèi)的晶粒有“褶皺”現(xiàn)象，這種組織形貌應(yīng)為ａ區(qū)端面缺陷延伸至該處“弱化”的一種體現(xiàn)，并未造成組織的改變，只是影響界面形貌，最終缺陷區(qū)域逐漸消失。

圖４ｄ、ｅ、ｆ為典型缺陷ｂ區(qū)的縱向顯微組織。由圖中可見，該區(qū)域兩端面和中部區(qū)域顯微組織基本一致，呈發(fā)散狀的縱向延伸，缺陷區(qū)與基體區(qū)存在過渡區(qū)域，且彌散分布；缺陷區(qū)組織為條帶狀，并且與基體逐漸過渡，從沒有明顯的晶界演變?yōu)榫Ы缰饾u清晰的拉長(zhǎng)狀晶粒，最終演變?yōu)榫Ы缤暾牡容S組織。

綜上，缺陷區(qū)域包括孔洞及異常組織等冶金缺陷，且均沿棒材縱向拉長(zhǎng)、延伸，這是由于鈦錠在鍛造、熱軋加工成棒料時(shí)，孔洞等缺陷沿縱向被拉長(zhǎng)并殘留在材料當(dāng)中。

2.2　顯微硬度測(cè)試

圖５為GR2純鈦棒材各區(qū)域顯微硬度分布圖。

從圖中可以看出，缺陷區(qū)域（ａ區(qū)和ｂ區(qū)）的顯微硬度值明顯高于基體，為3420～3696MPa，約為基體顯微硬度的２倍。基體組織硬度分布較均勻，為

1607～1803MPa；缺陷ａ區(qū)域附近基體硬度分別為1793、1803MPa，略高于缺陷ｂ區(qū)附近基體的硬度，說明兩處缺陷對(duì)附近基體組織顯微硬度的影響程度不同，缺陷ａ區(qū)對(duì)基體顯微硬度影響較大。

２.３　化學(xué)成分分析

為了分析缺陷區(qū)域化學(xué)成分，利用EDS能譜儀對(duì)上述樣品基體和兩缺陷區(qū)域進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果如表２所示。從EDS分析結(jié)果可見，基體與缺陷區(qū)域主元素成分一致，均為Ti，無其他成分差異，由于EDS檢測(cè)的精度有限，推斷應(yīng)屬于微量的雜質(zhì)含量差異。利用EPMA分析方法對(duì)缺陷區(qū)域ａ進(jìn)行面掃描分析，由于Ｈ元素質(zhì)量較小，對(duì)Ti、Fe、C、N、O進(jìn)行分析，結(jié)果如圖６所示。

其中，C、Ti、Fe的色帶度量單位為質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w％），N、O的色帶度量單位為特性Ｘ射線強(qiáng)度。由EPMA分析結(jié)果可見，Ti、Fe、C、O元素含量均勻一致，缺陷區(qū)域與基體部分含量相近，無明顯區(qū)別；N元素濃度在缺陷區(qū)域明顯高于周圍基體。由此可見，缺陷區(qū)域顯微組織和顯微硬度的差異是由于N元素的異常分布（氮富集）導(dǎo)致的。

3、改進(jìn)措施

通常來說，鈦與氮的親和性較高，氮元素會(huì)對(duì)金屬鈦的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。氮含量過高時(shí)，鈦會(huì)變硬變脆。綜上，GR2純鈦棒材中的點(diǎn)狀缺陷應(yīng)為熔煉時(shí)局部產(chǎn)生了氮富集，其中一些氮以氣泡的形式殘留在鑄錠當(dāng)中；鈦錠中有氣泡殘留的地方經(jīng)鍛造軋制加工后，氣泡產(chǎn)生的孔洞沿縱向被拉長(zhǎng)殘留在材料當(dāng)中；由于金屬鈦中氮元素會(huì)對(duì)材料機(jī)械性能產(chǎn)生影響，鈦錠在鍛造、熱軋加工成棒料時(shí)由氮富集所導(dǎo)致的機(jī)械性能異常部位則沿棒料被縱向拉長(zhǎng)；棒料經(jīng)橫向切割、拋光后，氮富集導(dǎo)致的機(jī)械性能異常部位就呈現(xiàn)了表面異常（浮凸?fàn)睿┈F(xiàn)象。因此，分析認(rèn)為該缺陷產(chǎn)生的主要原因是鑄錠熔煉時(shí)產(chǎn)生了氮富集，原材料或者熔煉時(shí)的環(huán)境控制環(huán)節(jié)出現(xiàn)了某些問題。

通過對(duì)鑄錠的真空電弧熔煉過程進(jìn)行分析，產(chǎn)生該問題的原因應(yīng)為：①海綿鈦的純潔度不高，低品質(zhì)海綿鈦中含有富N的TIN顆粒，熔煉時(shí)未剔除干凈；②在電極焊接時(shí)未采取有效的保護(hù)措施，焊接時(shí)大氣介質(zhì)導(dǎo)致N元素增加。后續(xù)在熔煉過程中針對(duì)以上兩點(diǎn)進(jìn)行改善、驗(yàn)證，預(yù)先進(jìn)行海綿鈦的篩選，剔除氮化的海綿鈦塊（TIN）、帶殘?jiān)蚋昏F及伴生元素的海綿鈦塊；電極組焊時(shí)用氬氣保護(hù)等離子焊接，避免焊縫出現(xiàn)發(fā)藍(lán)等氧化、氮化現(xiàn)象。經(jīng)過幾批次驗(yàn)證，成品棒材組織均勻，無點(diǎn)狀缺陷等類似缺陷，該問題得到明顯改善。

4、結(jié)論

(1) GR2純鈦棒材端部點(diǎn)狀缺陷具有以下特質(zhì)：宏觀可見凸起現(xiàn)象，其中一些有孔洞；缺陷區(qū)域沿棒料縱向延伸，顯微組織同周圍正常組織相比呈現(xiàn)異常；缺陷區(qū)域的顯微硬度約為基體顯微硬度的２倍；缺陷區(qū)域位N含量較高（氮富集）。

(2) 氮元素會(huì)對(duì)金屬鈦的機(jī)械性能產(chǎn)生影響，氮含量過高鈦會(huì)變硬變脆。文中所述GR2純鈦棒材中的點(diǎn)狀缺陷應(yīng)為鑄錠熔煉時(shí)局部產(chǎn)生了氮富集，可能原因?yàn)椋阂皇呛＞d鈦里含有富N的TIN顆粒，熔煉時(shí)未剔除干凈；二是在電極焊接時(shí)未采取有效的保護(hù)措施，焊接時(shí)接觸大氣導(dǎo)致N元素增加。

(3) 熔煉純鈦鑄錠時(shí)預(yù)先進(jìn)行海綿鈦的篩選，剔除氮化的海綿鈦塊（TIN），電極組焊時(shí)用氬氣保護(hù)等離子焊接，避免與大氣接觸，可有效避免此類缺陷。

參考文獻(xiàn)

[1] 張喜燕，趙永慶，白晨光．鈦合金及應(yīng)用［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005:92．

[2] 稀有金屬材料加工手冊(cè)編寫組．稀有金屬材料加工手冊(cè)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1984．

[3] 王海，魏芬絨，崔文俊，等．超低間隙TC4鈦合金形變熱處理工藝［J］．材料熱處理學(xué)報(bào)，２2015，36(1)：52-55．

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