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钛·工艺技术知识-与熔炼相关的缺陷

创建时间:2025-07-18 16:31
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钛·工艺技术知识-与熔炼相关的缺陷

    在钛合金中,经常出现的与熔炼相关的缺陷已列于表3.1中。试验证明,这些缺陷一旦形成就很难消除,并且会严重影响材料的性能,因此,有必要专门用一节来讨论与熔炼相关的缺陷。
     与熔炼相关的缺陷可分为内部缺陷和外部缺陷两类,这取决于它们的来源。外部缺陷是在电极准备期间或熔炼期间由无意中带入的杂质引起的;内部缺陷是在铸锭凝固过程中不适宜的操作而产生的。


     如前所述,钛锭凝固时必须通过控制以保证其均质性,要达到均匀凝固的难度主要取决于合金成分。这些合金成分含形成β共析型的元素,如Fe、Cr、Mn、Ni和Cu,很显然,降低凝固温度,会使凝固点上有一个很大的温度范围,这种状态将导致铸锭凝固期间的溶质偏析。凝固温度降低的最常规反应是相图中的共析反应(液+固),如Ti-Fe、Ti-Mn和Ti-Cu系。以Ti-Fe相图作为例子示于图3.12。共析反应拓展了合金的凝固范围,引起凝固的最终液体富集溶质,使铸锭凝固期间,发生较大范围溶质偏析的可能性增大。如果合金成分中只含有β同晶型元素,如Mo、V和Nb,则合金不会发生类似凝固温度降低的情况,在凝固偏析中,合金有较少的孔洞。冷凝时,Fe或Cr的偏析会导致该区域β相转变温度的降低,在最终产品中,这些区域显示了有不同的微结构,有时在低于热处理温度,但又接近正常的β相转变温度处理后,这些溶质富集区在材料中清晰可见,它们一般被称为β斑。在合金Ti-10V-2Fe-3Al中β斑的例子见图3.13,图3.13中,β斑内,大的β晶粒和最小体积分数的α沉淀物清晰可见。β斑是合金中有元素凝固偏析的直接结果,偏析区域通常发生在几百微米到几毫米的范围,这些与凝固相关的缺陷能在任何钛合金中发生,不过,正如前所述,含有共析型元素如Cr、Fe或者Ni的合金,通常更容易形成β斑,图3.13中的β斑对疲劳强度有害,因为它们的强度较低,易优先变形,导致早期的形核裂纹。

钛的易反应性也增加了形成间隙稳定杂质的可能性,这些杂质被称为I型缺陷,它们最常见的是氮富集化合物,即TiN。氮的稳定型I杂质很硬且脆,因此,经常被称为硬α,在相对较低的应力下,其裂纹将导致材料的早期断裂。I型杂质也可能是高浓度的富氧和(或)富碳聚集区,但这很不常见。图3.14(a)所示的是锻造中的一个氮稳定I型杂质,由于在低应力下的断裂倾向,I型夹杂能严重地降低材料的抗疲劳能力,然而,更应关注的是如何减少它的发生。在过去的25年里,为了最大限度地减少钛合金产品中I型杂质,对入炉原料和熔炼工艺作了许多限制,使这些缺陷出现的概率降低了10~100倍。现在,在转子级钛合金中检测出I型缺陷的概率已减少到每年5x105kg熔炼材料中少于一个缺陷。由于飞机发动机工业使用的钛合金每年超过1x10kg,这意味着熔炼后的缺陷检测和消除仍然是很重要的。最有效的检验方法为超声波检测,这将在后续的3.8节中作更详细的介绍。需要重点说明的是,超声波检测I型缺陷时,其基体上有孔洞,它们经常与缺陷共存,这从图3.14(a)中能看出,这些孔洞存在的原因是基体与硬I型杂质间的应变不匹配。另外,由于与基体邻近的富氮区域杂质的存在,降低了其延展性也可能是一个因素,这取决于应变产生时的温度。从理论上讲,TiN应该是可检测到的,因为它的模量比钛合金基体的平均值高约30%,但实际上,该模量的差值与α钛的弹性各向异性值大约是一致的,因此,任何灵敏到足以检测这些差异的超声波技术也只能检测到其织构区域或起源方向,这导致了在超声波检测时发生许多“误报”,误报的原因将在3.8.1节中讨论。处理误报花去的时间和资源是转子级高质量材料生产时成本增加的一个重要因素。

另一种与熔炼相关的缺陷是Al富集,它通常是由靠近铸锭顶部缩孔内的Al富集区域进入产品后造成的。这些Al富集区域常称为II型缺陷。II型缺陷对性能的影响比I型缺陷小,但在高强度合金,如在Ti-17中,热处理(时效)时,这些缺陷不像周围基体一样发生变化而依然很软,因此,在疲劳状态下,它们将首先变形,引起早期的裂纹形核。II型缺陷可通过适宜的熔炼工艺和截去含缩孔的部分来消除,所以,它并不会出现在产品中。合金偏析(β斑和II型缺陷)也可以通过铸锭的均质化来达到最小化。


前已提及,钛屑的利用,是钛资源循环利用的常用方式,它降低了产品的成本,增加了可用钛资源的数量,尤其是相对于钛的生产能力,在钛需求量很大的时期特别有用。另外一类废料是钛生产中产生的轧制废料,它们也可回收,如钛设备制造过程中产生的薄片和废板,再者,如热交换器也可通过分选后回收。在实际回收过程中,产生的一个问题就是可能导致钨的富集,使大密度的杂质(HDIs)进入产品。这些钨富集杂质有两个主要的来源,即钨惰性气体(TIG)焊接时带入的电极和损坏的工具碎片中带入的WC。高熔点的钨和WC杂质在真空电弧炉熔炼和随后的重熔中相对稳定,因此,它们以细粒状或非凝固态混入铸锭。图3.14(b)是钛合金锻件中WC杂质的分布实例,β相中,杂质附近的黑色侵蚀基体上有微细的α相沉淀颗粒,这是因为扩散造成β相的W富集。

正如经常提到的,在使用或回收废料时,废料在不同合金、材料等级、不同用户的使用量是广泛变化的。不同的发动机制造商,对用于转子级的材料,对废料的使用量有不同的允许值,其范围从不含到允许含50%的废料。其他(非转子级)材料对废料的限制不严,商业纯钛(CP钛)则没有限制。采用冷床熔炼加入和回收钛屑被认为更容易和更经济,因为它们不需要先固结,可直接加入到冷床熔炼炉中。

对钛合金熔炼工艺的讨论表明,为使其达到高性能,从化学反应制备初始材料到轧制生产出批量商用产品是极其复杂的。在过去的40~50年间,钛合金作为商业产品已经存在,其制备技术已有了很大进步,不过,这些技术仍然可以改进,通过实际熔炼结果,钛合金成分的可靠性得到很大程度的提高,这些改进是有效的,并且这种不断改进的价值应该被用户和制造商所认识。

内容来源于《钛》(第2版)

【德】Gerd Lütjering  【美】James C. Williams 著

 




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