钛合金锻造时,由于工艺规范不当,原材料质量控制不严等原因,锻件可能会存在各种缺陷。常见的缺陷有以下几种:
1、β脆性
β脆性是由于锻件过热引起的。α和(α+β)钛合金,尤其是(α+β)钛合金,如果锻造加热温度过高,超过了其β转变温度,致使锻件低倍组织晶粒大,呈等轴状;显微组织中α相沿粗大的原始β晶粒的晶界及晶内呈条状析出。结果是锻件在室温下的塑性降低,这种现象叫β脆性。
钛合金锻件的过热缺陷不能通过热处理的方法来修复,而必须通过再次加热到β转变温度以下(如果锻件允许)进行塑性变形才能修复。
为了防止过热发生,钛合金加热时,应严格控制炉温,定期测定炉膛合格区温度,合理安排装料位和装料量不能大多。采用电阻加热时,炉膛两侧要设置挡板,以免坯料过分接近碳化硅棒而引起过热。检测各炉号合金的实际β转变温度,也是防止过热的有效措施。
2、局部粗晶
在锤上或压力机上模锻时,由于钛合金的导热性较差,坯料表层与模具接触过程中温度降低很多,加上坯料表面与模具上下模间摩擦的影响,坯料中间部分受到强烈变形,表面变形程度小,使原材料的组织保留下来,就形成新局部粗晶。
为了避免钛合金局部粗晶缺陷,可采取如下措施:采用预锻工序,使终锻时变形均匀;加强润滑,改善坯料与模具间的摩擦;充分预热模具,以减少坯料在锻造过程的温度下降。
3、裂纹
4、残留铸造组织
锻造钛合金铸锭时,如果锻造比不够大或锻造方法不当,锻件会残留下铸造组织。解决此缺陷的方法就是增大锻造比和采用反复镦拔。
残留铸造组织会降低钛合金的力学性能。通过增大锻造比和多向锻造、等温锻造等技术,采用反复镦拔的锻造方法,可以有效地打破原始铸造结构,以实现更均匀的微观结构,从而消除这一缺陷。研究表明,锻造比大于3:1时,残留铸造组织的影响显著降低。通过增大锻造比,可将残留铸造组织的发生率从15%降至5%。
5、亮条
所谓钛合金锻件中的亮条,是存在于低倍组织中的一条条具有异样光亮度的肉眼可见的带。由于光照角度的差异,亮条可以比基体金属亮,也可比基体金属暗。在横断面上,它呈点状或片状;在纵断面上,则为平滑长条,其长度从十多毫米到数米不等。产生亮条的原因主要有两个:一是钛合金化学成分偏析,二是锻造过程的变形热效应。
亮条对钛合金的性能有一定影响,特别是对塑性和高温性能影响较大。防止亮条出现的措施是严格控制冶炼中化学成分的偏析;正确选择锻造热力规范(加热温度、变形程度、变形速度等),以避免锻件各处温度因变形热效应而相差太大。
6、α脆化层
α脆化层主要是钛合金在高温时氧和氮通过疏松的氧化皮,向金属内部扩散,使表层金属的氧和氮的含量增加,从而使表层组织中α相的数量增多。当表层金属的氧和氮含量达到一定数值后,表层组织就可能完全由α相所组成。这样钛合金的表面就形成了α较多或完全为α相的表层。这种α相构成的表面层,通常称为α脆化层。钛合金坯料表面的α脆化层过厚,锻造时可能导致坯料开裂。
α、β以及(α+β)钛合金都可能形成α脆化层。但α钛合金对形成α脆化层特别敏感,而β钛合金要在加热到980℃以上才会形成α脆化层。
7、氢脆
氢脆问题是钛合金中氢含量超标引起的。因此,工业钛合金中要求氢含量必须控制在0.015%以内。
为了防止或减少氢脆,锻造或热处理时应使炉子略带氧化性气氛,对于氢含量超过规定以及重要的钛合金零件,可进行真空退火,以消除氢脆。
8、夹杂物
多是高熔点、高密度的金属夹杂物。由钛合金成分中高熔点、高密度元素未充分熔化留在基体中形成(例如钼夹杂),也有混在冶炼原材料(特别是回收材料)中的硬质合金刀具崩屑或不适当的电极焊接工艺(钛合金的冶炼一般采用真空自耗电极重熔法),例如钨极电弧焊,留下的高密度夹杂物,如钨夹杂,此外还有钛化物夹杂等。
9、孔洞
孔洞不一定单个存在,也可能呈多个密集存在,会使低周疲劳裂纹扩展速度加快,造成提前疲劳破坏。
10、过热
钛合金的导热性较差,在热加工过程中除了加热不当造成锻件或原材料过热外,在锻造过程中还容易因为变形时的热效应造成过热,引起显微组织变化,产生过热魏氏组织。