钛材料冶金缺陷(metallurgical  defect  in  titanium  material)

在钛材料的锭、坯和制品中，由于冶金的原因而形成的缺陷。一般分为内部缺陷和表面缺陷。内部缺陷包括夹杂、偏析、分层、内部裂纹、疏松、缩孔、组织不均匀、组织粗大、过热等。表面的缺陷有裂纹、起皮、折叠、划伤、压坑、表面污染层等。上述缺陷，有些在随后的压力加工或热等静压处理中是可以消除的，有些是不能消除的。零件的工作条件不同，对材料的要求也不同，同样的缺陷，对于重要用途的航空、航天用材，要受到更严格的控制。根据钛材料的特性，主要有夹杂、偏析和组织不均匀、组织粗大等几种缺陷。

夹杂      锭、坯和制品中没完全熔化的颗粒。分为金属夹杂和非金属夹杂。

(1)金属夹杂。主要是没完全熔化的高熔点金属或固溶体，例如钨、钼以及硬质合金刀头等碎块。这种夹杂不易被钛合金常用的一般腐蚀剂腐蚀。图1为钨夹杂，在金相试片上呈现出比基体组织光亮的斑块。斑块的显微组织明显高于基体。金属夹杂通常在材料随后的机加工过程中暴露出来。这类缺陷可以用超声探伤、X光探伤和高低倍组织检验方法进行检查。金属夹杂的产生，源于电极制备过程。它的产生原因可能是：由于配料时高熔点组元合金料的加入方法不合适，也可能是电极中混入了难熔金属块，或者是混入了粘有硬质合金刀头碎块的车屑；若在电极焊接时采用钨极氩弧焊，掉落在电极上的钨极碎块也会形成金属夹杂。因此必须严格控制电极制备过程，包括采用合理的中间合金配料并控制其粒度；加强原料管理，避免异物混入；电极焊接采用等离子焊接等其他焊接方法；车屑破碎后用强磁选的方法去除硬质合金刀头碎块，加强对返回料的管理和检验等。

(2)非金属夹杂。图2主要是氧化物或氮化物等的不熔块。在金相试样上表现为光亮的点状、条状。常伴随以材料的不连续性。这类夹杂脆性大，变形过程中在缺陷部位易产生疏松、空穴、分层或裂纹，其形态与α 层相似，并逐渐过渡到材料的正常组织。这类缺陷可用超声探伤、高低倍组织检验方法进行检查。非金属夹杂的产生也与电极制备过程有关，在制备电极时，混入了海绵钛的燃烧颗粒和氧化颗粒，或者混入了中间合金的渣块，使用了不合格的返回料等。为避免非金属夹杂，必须严格控制海绵钛、中间合金和返回料的质量，必要时可用人工筛选，同时防止电极焊接时的氧化对减少非金属夹杂的产生也是很重要的。金属夹杂和非金属夹杂影响力学性能，在变形和使用过程中容易引起裂纹，因此对航空、航天用材料其组织中不允许有肉眼可见的夹杂。

偏析       产品中合金元素含量不正常的区域。因而这些区域的α相与β相的量与基体有明显的差别。钛金属熔炼采用真空自耗熔炼方法，边熔化边凝固，因此其化学成分的不均匀是不可避免的。构成缺陷的偏析是指具有一定尺寸的区域内某个合金元素贫乏或富集，或者是杂质元素氧、氮、碳等的富集。偏析在低倍组织中表现为有明显的粗大晶粒群、点状组织或带状组织等异常腐蚀区。在高倍组织中有严重不等的晶粒、不同的组织形态或腐蚀程度不同的区域。它可分为以下两种类型：

(1)金相试样上有弱腐蚀区(亮条、亮斑)，一般为α相富集区。图3为α相偏析，α相呈粗条、块状。它可能是由于富α稳定元素(铝等)而形成的，也可能是由于氧氮等气体杂质含量高而形成的区域。富铝、富氧、富氮的区域，其显微硬度明显高于基体，属于脆性偏析。还有贫合金元素的区域也是弱腐蚀区，其成分、显微硬度和组织均与纯钛相近。

(2)金相试样上有深腐蚀区(黑斑)，黑斑内α相较少，甚至没有，故一般称为β斑。图4为β斑，是富β稳定元素区，又称β型偏析。富β稳定元素区内β转变温度较正常区域为低，因此在热加工和热处理过程中该区提前发生β转变，从而出现β斑。

偏析这类缺陷可以用高低倍组织检验的方法进行检查，对某些声阻抗与基体相差较大的偏析，在超声探伤时也可以检查出来。脆性偏析一般是不允许的，其他钛la偏析允许切除偏析部分并检验相应的两端面后使用。要消除或减少偏析，需从电极制备和熔炼工艺两方面着手，包括加强原料的管理，控制原料(海绵钛、合金元素、中间合金、返回料)的粒度，提高混料均匀性，控制电极密度，防止其在熔炼过程中出现掉块而造成成分不均；选择合理的熔炼工艺，适当增加熔炼次数，可减少夹杂和偏析区的尺寸。

组织不均匀、组织粗大       组织不均匀(图5)表现为半成品中各部位的组织粗细不等，在细晶组织基体上有粗晶区，或相反，在粗晶组织上有细晶区，局部区域出现条块状α相和条带状组织等。组织粗大(图6)在高倍组织表现为粗大晶粒、过热组织、残留原始β晶界等。而在低倍组织上，则有明显的肉眼可见清晰晶粒。偏析和压力加工规范选择不当，都会使坯料产生组织不均匀，由偏析造成的组织不均，在随后的压力加工中是不可能消除的。由加工引起的组织不均匀，反映在低倍上，是腐蚀性照明效果不同的带或区域。例如最常见的“锻造十字架”。加工中由于坯料与工模具接触的部位表面温度较低，存在摩擦等原因形成难变形区，在十字架上即沿坯料45^。方向上，形成大变形的剪切带，是金属局部剧烈流动的结果，低倍组织腐蚀后显示为暗线。如果锻造温度偏高，变形量过大，则在中部区域可能产生局部过热组织。

组织不均匀、组织粗大等组织缺陷可通过探伤或高低倍组织检验进行检查。对于钛材料，由加工造成的组织不均匀和组织粗大，很难通过热处理来改善，应选择合理的加工工艺，使加工过程中制品各部位的变形量尽量均匀，也可在锻坯上选用合适的涂层保温和润滑来减轻变形的不均匀性。若已出现了上述组织缺陷，

低倍组织中明显的粗大晶粒，可通过均匀化处理、形变热处理等方法消除，也可通过在α+β相区施以大变形量来改善组织。严重的组织不均和组织粗大会造成材料的综合性能下降，因此对于航空用材是不允许的。