鈦（tài）合金由於具有（yǒu）低（dī）密度（dù）、高比強、耐高溫、抗腐蝕及無磁性等優異的綜合性能，使其成為當代（dài）航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（mù）前（qián）工業鈦合金（jīn）80%以（yǐ）上以變形鈦合金使（shǐ）用，如鍛（duàn）件、鍛棒及軋（zhá）製型材等形式。鍛造變形是保證鈦合金材料獲（huò）得理想組織與性能的最主要手段，但是（shì）不正確的鍛造工藝往往（wǎng）會（huì）使鈦合金產品出現一些（xiē）不理（lǐ）想的（de）組織和冶金缺陷，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，同時給生產及使用廠家造成大量浪費，故研究分析各種（zhǒng）鈦合金鍛造缺陷的形成機理，並采取有效預（yù）防措施具有十分重要的價值。

1. 鍛造熱效應

某牌號高溫鈦（tài）合金（jīn）鑄（zhù）錠在快鍛機（jī）上開坯鍛造後，在α+β兩相區多火次加（jiā）熱鍛造（zào）為φ 165mm棒材，熱處理後觀察其（qí）低倍組織為（wéi）模糊晶組織，顯微組織為等軸組織（zhī），為理想的α+β雙相鈦合金等（děng）軸（zhóu）組織，組織照片見圖1a。將上述（shù）φ 165mm棒材（cái）鋸切下料後，在相變點下50℃加熱後，在（zài）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，顯微組織照片見圖1b，顯（xiǎn）微組織為α板條+β轉（zhuǎn），是典型魏氏組（zǔ）織，存在（zài）清晰（xī）的（de）晶界，α屬於鈦合金中的過熱組織，距（jù）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（liàng）稀少，α板條（tiáo）數量居多，存在（zài）斷續分布晶界α；距離表（biǎo）麵0～20mm範圍內為模糊晶。

某批次φ80mm規格TC4鈦合金棒（bàng）材，其顯微組織為典型等（děng）軸α組（zǔ）織（見圖2a），初生（shēng）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（tú）2b，初生α等軸含量僅剩（shèng）餘15%左右（yòu），為鍛造溫度過熱造成。

鈦合（hé）金在相變點(α+β/β轉變溫（wēn）度)以上（shàng）變形獲得網籃組織（zhī）或魏氏組織塑性、疲勞性能差，所以絕大多數鈦合（hé）金產品技術標準中要（yào）求近（jìn）α 型、α +β 型雙相鈦合金成品，顯微（wēi）組織一般是綜合性能較好（hǎo）的等軸組（zǔ）織或雙態組織，所以近α型、α+β型雙（shuāng）相鈦合金成（chéng）品鍛造一般（bān）選擇在相（xiàng）變點以下30～60℃加熱鍛造。大量研究及工程實踐證明，隨著鍛造（zào）加熱溫度的升高，雙相鈦合（hé）金（jīn）顯（xiǎn）微組織中初生α等軸的含量明顯降低（dī），而α板條含量顯著增加。也就是說雙相鈦合金在（zài）相變點以下加熱時（shí），隨著加熱溫度升高，組織中初生α等軸逐步（bù）向β相轉變，從（cóng）而導致加熱鍛造後（hòu）的鈦合金顯微組織中初生α等軸含量降低、形態變小，α板條含量增多（duō），當加（jiā）熱（rè）鍛造（zào）溫度超過鈦合金相變點之（zhī）後（hòu），雙相（xiàng）鈦合金組織中的初生α等（děng）軸全部消失，為板條（tiáo）狀（zhuàng）網籃組織（zhī）或魏氏組織。

鈦熱導率為0.036c a l/c m·s·℃（1cal/cm·s·℃=418.68W/cm·K），室溫（wēn）時是鋁的1/15，鐵的1/5。鈦合金在錘上鍛造過程中（zhōng），由於瞬時變形速率大（錘上（shàng）變形7~9m/s）、打擊頻率高，造（zào）成合金內（nèi）部流動應力過大，消耗大量機（jī）械能短時間內轉化為內部熱量，由於坯料（liào）心部（bù）變形較周圍（wéi）大（dà）且散熱條件差（chà），致使坯料內部溫（wēn）度升高、變形程度（dù）最大中心區域溫度接近，甚至超過合金相變點，導致最終坯料中心顯微組織中初生（shēng）α等軸急劇減少，甚（shèn）至全部消失，過（guò）熱嚴重時組織轉變為性能非常差的（de）魏氏組（zǔ）織。以上典型兩種（zhǒng）雙相鈦合金經過錘上鍛造後，其顯微組織中的初生α等軸含量急劇減少，α板（bǎn）條含量相應增（zēng）加，顯微組織由理想的等軸組織轉變（biàn）為較差的魏氏組（zǔ）織，主要（yào）原因就是鈦（tài）合金（jīn）在瞬時劇烈變形過程中（zhōng）產生過熱現象造（zào）成的。

鈦合金在鍛造變形中，一（yī）般情況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）製訂鍛造工藝的主要依據（jù）。采用鍛造（zào）速度較快的鍛（duàn）錘鍛造鈦合（hé）金時，必須考慮鍛造過程（chéng）中的中心熱效應，不能連續重擊坯料。鈦合金鍛造在有條（tiáo）件的情況下建議采用壓力機（jī）或快鍛機，該類鍛造設（shè）備打擊速度低，鍛造過程中坯料瞬時應變速率較低（dī），產生的變形熱不是非常明顯，同時有足夠時間（jiān）進行變形熱擴散，不會導致瞬時心部溫度明顯增高。

　　2. 組（zǔ）織不均勻

某批次TC17鈦合金模鍛件進行顯微組（zǔ）織觀察時，發現其網籃組織中存在一（yī）定的大塊狀α相（俗稱粗大（dà）α塊（kuài））見圖3。該TC17鈦合金模鍛件是采用亞β鍛造工藝（yì）生產的（相變點上40℃加熱模鍛（duàn），鍛後空冷），期（qī）望得到顯微（wēi）組織是均勻一致的網籃（lán）組織（zhī）。

這種粗大α塊又稱大（dà）白塊（kuài），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（bú）均勻，由晶界向晶（jīng）內生長，很少出現交錯現（xiàn）象，其晶界麵比較（jiào）粗糙（cāo），凹凸不平，而（ér）正常（cháng）α條的晶界（jiè）麵比較平滑（huá）。研究（jiū）證明，這種粗大α塊的顯微硬度要比正常α條低約l0%，致使（shǐ）合金塑性與熱穩定性能下（xià）降，影響了鍛件質量，所以必須（xū）防止在鈦合金中（zhōng）出現這種（zhǒng）不均勻組織。鈦合金在熔煉凝固過程中，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，所以在其富集處α相首先析出，並沿晶界向晶內生長，從而形成（chéng）了粗大α塊，微區成分偏析是產生這種不（bú）均勻組織的根本原因。

微區成分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同形成的偏析屬於正常偏析，這種偏析很難完全避免，但可（kě）用適當措施加以控製。一方麵通過改進優化鑄錠熔煉工藝參數加以控製（zhì），另一（yī）方麵（miàn）通過適當的鍛造工藝加以改善消除。鍛造工藝（yì）方（fāng）麵，首先（xiān）在其鑄錠開坯鍛造時，采用適當的高溫均勻化處理，對於鑄錠柱狀組織區域的（de）微觀晶內枝晶偏析通過均勻化退火或變形再（zài）結晶改善和消除；其次在（zài）合金坯料及（jí）成品模鍛過程中采用適（shì）當的（de）鍛後冷卻方式加以控製，抑製其（qí）顯（xiǎn）微組織中出現粗大（dà）α塊。上述TC17鈦合金鍛件在亞（yà）β模鍛後，采用空（kōng）冷是其出現粗大α塊的誘（yòu）因，鍛（duàn）後冷卻速度慢，過冷度小，形核率低，因而α相有足夠時（shí）間（jiān）長大形（xíng）成粗大α塊（kuài）。

亞β鍛後采用快冷（水冷或油（yóu）冷）可（kě）明顯減輕或抑製粗大α塊出（chū）現，加快冷卻速度、增加過冷度，可（kě）提高α相形核率，盡管（guǎn）局部區域存（cún）在合金（jīn）元素偏聚，具備生長粗大α塊的條件，但α相（xiàng）還沒來（lái）得及長大與兼並，整個組織的相變過程已經結束了，控製冷速可以顯著改變析出α相形態與分布規律（lǜ）。鍛後水冷或油冷將鍛造產生的晶體缺陷（位錯、亞晶）和位錯密度增加的變（biàn）形組織全部或部（bù）分固定到（dào）室溫，為隨後熱處理過程中再結晶增（zēng）加了大量的結晶（jīng）核（hé）心，在（zài）隨後熱處理時，β相的析出機製由空冷條件下（xià）的感生（shēng）形核機製變為獨立形核方（fāng）式，得到細小、混亂、交織的條狀初生α和次生（shēng）α，這種組織可以顯著（zhe）提高合金（jīn）的綜合（hé）性能。

　3. 空洞型缺陷

某批次φ70mm規格TA7鈦合金（jīn）棒材在出廠超聲波檢測時發（fā）現（xiàn）超標缺陷波，對其缺（quē）陷位置（zhì）解剖後進行了橫向低倍檢查，腐蝕後低倍上發現大量“麻坑”，主要就集中在棒材中心區域，棒材1/4半徑（jìng）之外區域則（zé）未發現“麻坑”。隨後對麻坑處進行了高倍觀察，發現其為晶（jīng）間（jiān）空洞類缺陷，缺陷處顯微組（zǔ）織照片見圖4。有的研究認為“麻坑”現象與腐蝕有關, 隨腐蝕時（shí）間增加，“麻坑（kēng）”現象越明（míng）顯；也有的（de）研究認為“麻坑”可能與雜質元素Fe 含量較多有關。但是上述觀點很難解釋超聲波檢（jiǎn）測存在超標缺陷波的（de）現象（xiàng）及高倍分析中發現的空洞現象。

大量工程實踐證明（míng），TA7鍛造工藝性能較其他TC4、TC11等鈦合金要（yào）差，鍛造過程中比其他鈦合金（jīn）更易發生開裂，且裂紋擴展（zhǎn）速率快。鈦、鋁合金等金屬材料（liào）在（zài）進行（háng）大應變（如超塑成形）時易誘發疏鬆，出現空洞甚至發生斷裂（liè），TA7鈦（tài）合金中空洞就（jiù）是（shì）大應變誘發產生的（de）。在高應變率下（xià），TA7鈦合金的流變應力較靜態下顯著增加，但塑性顯著降低；隨著應變率（lǜ）增加，流變應力應變增（zēng）加（jiā），但存（cún）在一個臨界應變率，超過臨界值，材（cái）料（liào）將發生斷裂；當應變率達到（dào）臨界值時，材料中（zhōng）產生絕熱剪切帶，並在（zài）帶中形成微空洞，在外加應力作（zuò）用下，空洞（dòng）逐步聚集長大甚至（zhì）形成微裂紋。微空洞總是沿最大剪切變帶形（xíng）成，這是因為在局域化變（biàn）形中， 最大剪切帶內變形劇烈從而溫（wēn）度較高，使帶內材料軟化，成為裂（liè）紋、空洞等缺陷產生的理（lǐ）想（xiǎng）場所（suǒ），TA7棒材在鍛造過程中棒材中心區域變形量最大且變形熱擴散最慢，變形溫度最高，故在（zài）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（zhī）形態的變化，主要有晶粒長大、等軸晶拉（lā）長、晶粒轉動和滑動、位錯增殖、動態回複（fù）和再結晶及（jí）空洞形（xíng）核和長大等。晶界滑移是塑性變形的主要機製，晶界滑移會引起局部應力集中，阻礙晶界（jiè）滑移的進一步（bù）發生，當應力集中無法借助位錯（cuò）運動消除時，空洞就會形（xíng）核，繼而發生長大。空洞優（yōu）先在三角晶界處形核，隨著變形量（liàng）增加，空洞開（kāi）始長大，且空洞並非以等軸狀態長大，而是以（yǐ）橢圓形的（de）方式長大。空洞易向平行拉應力分享的晶界擴散，從而在拉（lā）應力方向形成定向的空位流，不斷向空洞中心聚集（jí），使空洞得以沿平行於拉伸方向長大。大量文獻中提到（dào）該（gāi）合金鍛造過程中易出現“麻點（diǎn）”和空（kōng）洞，通（tōng）過對（duì）TA7鈦合金“麻點”及孔洞類缺陷形成機理分析，我們總結出了一套防止TA7鈦合金鍛件空洞（dòng）類缺陷的有效辦法，就是嚴格控製每（měi）火次（cì）變形量≤50%，嚴格控製變形速率，最好采用油壓機或水壓機鍛（duàn）造，盡量避免采用錘上鍛（duàn）造，在生產中取得了良好效果。

　　4. 結語

目前鈦合金中常見的鍛造缺陷主要有組織過熱及不均、空洞、裂紋等，這（zhè）些（xiē）缺陷一般在鈦合金產品顯微組織檢查或超聲波檢測中很易發現，主要是在鈦合金產品鍛造過程中工藝參數控製不當（dāng）形成的（de），所以在鍛造過（guò）程中需依據不同特性的鈦合金材料選擇合適的變形（xíng）速率（鍛造設備）、加熱鍛造溫度、道次變形量及（jí）鍛後冷卻速度。

作（zuò）者簡介： 張利軍、郭凱、張晨輝，西安西工大超（chāo）晶科（kē）技發展有限責任公司。

何春豔（yàn），西部鈦業有（yǒu）限（xiàn）責任公司質量管理部。