TA10钛合金管材冷轧开裂的原因分析

某单位某批次TA10（名义成分Ti-0.8Mo-0.3Ni）钛合金φ72×7mm挤压管坯在进行冷轧φ51×4mm时，发现有 若干根管材表面开裂严重，经酸洗后观察大部分裂缝为纵向开裂，有的裂缝开裂较深且长，几乎从管材中间 延伸到管材的端头，如图1所示。

1、理化检验

1.1化学成分分析

在裂缝附近部位和正常区域取样，采用ICP全谱直读光谱仪和TC-600气体分析仪测定其化学成分，结果（质 量分数）见表1。分析结果表明，各成分元素均符合标准《GB/T3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分》要 求，裂缝部位的氧元素含量略高一些，但化学成分也合格。

1.2金相分析

选择开裂比较严重的部位沿着横断面方向取金相样，侵蚀剂为:HF+HNO3+H2O=1:3:10溶液。采用OLYMPUSGX51 金相显微镜观察其显微组织（如图2所示），发现一次裂缝和二次裂缝沿横断面呈现河流状分布，裂缝周围 的显微组织和正常区域有明显差异，正常区域为比较均匀分布的等轴组织，在裂缝附近存在较多的白色富α 相区域,并沿着裂缝走向集中分布。同时，在某些裂缝区域发现有夹杂物颗粒存在，经过进一步放大观察更 加明显（见图2(b)）。

1.3显微硬度分析

采用岛津HMV-2T型显微硬度计对正常区域和裂缝附近的富α相区域进行显微硬度分析，试验结果见表2。从 对比结果来看，两个区域的硬度差异也很明显，富α相区域明显偏硬，可以判定为硬偏析。

1.4SEM及EDS分析

采用ZEISSSupra55扫描电镜和能谱仪对裂缝部位及附近区域进行观察和能谱分析，结果见图3。从分析结果 可以看出，裂缝中存在明显的夹杂物（见图3(a)）,对图3(a)中谱图2区域进行能谱分析结果见（图3(b)）， 该区域存在少量的合金元素Mo和Ni，还有约1%的O元素（其余为Ti），可以推断该区域仍然为氧含量较高的 富α相区。对图3(a)中夹杂物区域（即谱图3）进行能谱分析结果见（图3(c)），夹杂物中除了钛以外，主 要以氧元素为主，含量高达10.6%，合金元素几乎没有（有少量的Ni），还有一定量的Fe和少量的Ca。

正常区域的分析结果见（图3(d)）,合金元素含量基本正常（Ni虽然有点偏低，微量的Al和Si属于干扰项， 因为能谱分析结果误差本身比较大），没有氧元素存在。说明能谱分析结果与前面的金相和显微硬度分析结 果一致，裂缝附近存在氧含量较高偏硬的α相区域，裂缝某些区域存在富氧的夹杂物。

2、分析讨论

从以上分析可以看出，材料的化学成分符合标准要求（虽然裂缝部位的氧含量略高一些），差异不是非常明 显。但从金相、SEM和能谱分析结果可以明显看出，裂缝中存在富氧的夹杂物，沿河流形状分布的裂缝附近 存在氧偏析的富α相区域。结合显微硬度的分析，该偏析为硬偏析，其硬度远高于基体材料本身的硬度，在 变形时极易形成微裂纹成为裂纹源，从而引起开裂[2]。钛合金的冶金缺陷主要是指夹杂和化学成分偏析。 夹杂一般分为低密度夹杂或硬α（或αⅠ型）和高密度夹杂；偏析一般分为α偏析（或αⅡ型）、β偏析（ 或β斑）和富Ti偏析三种[3]。钛的低密度夹杂物主要是钛的氮化物或氧化物，这些元素都属于强α稳定剂 ，所以又称为αⅠ型夹杂或硬α缺陷，主要来源于污染的原料（比如局部氧化的海绵钛）或不规范的加工工 艺（比如焊接氧化或打磨氧化等）。由于这些钛的氧化物、氮化物的硬度比较高，远远高于基体硬度，而且 比较脆，所以也称为硬α夹杂。

图2和图4(a)中的夹杂物就属于这种硬α氧化物夹杂。正是由于硬α氧化物夹杂的硬度比合金基体硬而脆， 硬度的显著差异导致在变形过程中对应力的反应也差异较大，容易在夹杂处产生应力集中并过早形成裂纹， 成为裂纹萌生的裂纹源。图2和图4(a)中的富α相区域是由于α稳定元素O的富集形成的一种间隙元素偏析， 属于α偏析，也称为αⅡ型缺陷。间隙元素偏析在显微组织中经常表现为在空洞周围存在大量的稳定α相， 并且具有很高的硬度[4]，也容易在受力过大时产生裂纹。

通过以上综合分析可以判断，该批次TA10钛合金φ72×7mm挤压管坯在进行冷轧φ51×4mm时产生开裂的主要 原因是管坯局部表面存在氧化物夹杂和氧元素偏析，这种硬α氧化物夹杂和硬偏析是产生开裂的裂纹源。

3、结论

此次发现的TA10钛合金管坯在冷轧时产生的纵向开裂现象，其开裂的主要原因是管坯局部表面存在氧化物夹 杂和氧元素偏析，这两种缺陷比合金基体硬而脆，在变形时极易形成裂纹源，从而引起冷轧开裂。

参考文献

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总 局.GB/T3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分[S].北京：中国标准出版社，2017.

[2]李荣,魏东,许陆,武晶晶.外科植入用TA3钛合 金接骨板断裂失效分析[J].理化检验(物理分册),2016,52(12):897-899.

[3］马济民,贺金宇,庞克昌.钛铸锭和锻造[M].北 京冶金工业出版社,2012:84-88．

[4］王金友,葛志明,周彦邦.航空用钛合金[M].上 海:上海科学技术出版社,1985:224-231.

相关链接