純鈦板材裂紋與鑄錠質量關聯性研究

戴 山，張 薇，吳 東，曲家東，趙兵兵，高尚飛，鄧作鵬

純鈦板材裂紋與鑄錠質量關聯性研究

戴 山1，張 薇2，吳 東1，曲家東1，趙兵兵1，高尚飛1，鄧作鵬1

（1.中鋁沈陽有色金屬加工有限公司, 遼寧 沈陽 110100；2.沈陽飛機工業（集團)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

利用金相顯微鏡、掃描電鏡及EDS能譜儀等多種測試方法，分析板材線性缺陷形貌特征、形成機理，指出鑄錠質量對板材表面影響因素，進而提出自耗爐在縱向磁場作用下非金屬夾雜凝固模型。此外，用純鈦類鑄錠一次錠處理對模型進行驗證。

純鈦；線性裂紋；非金屬夾雜；表面處理

純鈦類板材是用海綿鈦作為原料，經兩次自耗爐熔煉、鍛造、軋制后得到的產品，但鈦板材加工使用過程中經常會出現線性裂紋、縮松、翹皮等缺陷[1-4]，其中線性裂紋出現概率最為廣泛，對板材產出影響最為嚴重，李獻軍[5]研究表明：經多次真空自耗電弧爐熔煉可有效均勻化、去除揮發性物質和非金屬雜質，保證最終板帶材產品質量，但加工成本大幅度增加；王瑞琴等[6]提出用砂光設備進行板材砂光處理，然后進行表面噴砂，但砂光、噴沙后表面色差難以消除，影響最終產品質量，因此分析其缺陷特征、形成機理及預防措施，保證最終產品質量和經濟成本尤為重要。

1 實驗方案

選用5 mm厚度退火酸洗態商用工業純鈦TA1板材為實驗對象，取有無缺陷2種試樣，經宏微觀觀察、能譜分析及硬度測試，確定板材線性缺陷類型及失效原因。

2 組織觀察及分析

2.1 表面裂紋宏觀形貌觀察

如圖1所示：缺陷板材可見縱向線性缺陷，長度約為100 mm，缺陷頭尾兩端顯示清晰，深度稍深，且可見薄片分層現象，由于酸洗，缺陷位置稍黃，卷材表面粗糙，正常卷材表面形貌細膩，未見線性缺陷。

圖1 純鈦板材宏觀形貌圖

2.2 表面裂紋微觀觀察

圖2所示：缺陷處可見開裂特征，微觀呈滑移特征，由于試樣已被酸洗，缺陷處斷裂特征不典型，主要表現出腐蝕的形貌。圖3可見大量的晶粒特征，且晶面光滑，還可見滑移特征，與故障卷材表面形貌差異較大。

圖2 純鈦板材線性缺陷微觀形貌

圖3 純鈦板材無缺陷微觀形貌圖

2.3 金相組織觀察

對有線性缺陷試樣金相腐蝕后進行高倍組織觀察，見圖4(a、b)。缺陷區域裂紋存在較薄的富氧層，厚度約為6 μm，且富氧層發生開裂，表面相對較粗糙；心部組織呈單相α等軸晶，晶粒內部呈類似魏氏組織特征。如圖4(c、d)所示，無缺陷板材表面除了酸洗腐蝕坑外，相對較平坦；心部晶粒均勻，少量晶粒內部可見類似魏氏組織特征。

圖4 純鈦板材線性有無缺陷金相組織

如圖5對缺陷板材處各個區域進行能譜分析，可知裂紋處除了含有Ti元素外，還含有大量的O元素和F元素，其它位置未見異常元素，見表1。

2.4 硬度測試

在線性缺陷板材進行維氏硬度測試，測試位置和結果見圖6。由測試結果可知，線性缺陷板材表層硬度范圍為162~206 HB，平均值為181 HB，近表層和心部硬度范圍為102~129 HB，心部硬度平均值為107 HB，遠小于表層硬度。

表1 線性缺陷能譜分析結果 %

圖5 線性缺陷形貌

圖6 線性缺陷區域硬度測試

3 分析與討論

板材線性裂紋方向與軋制方向一致，板面裂紋數量不定，長短不一，形狀近似橢圓形，成開口狀裂開，缺陷僅為淺表裂紋，并伴有細微二次裂紋，裂紋處除Ti元素外，還含有大量的O元素和F元素，其他位置未見異常元素，裂紋表面處維氏硬度遠高于板材內部硬度值。裂紋處存在于基體界面分明不規則塊狀物，由以上分析，可判斷此缺陷應為非金屬夾雜物，由于夾雜物不能固溶基體或形成金屬間化合物，從而破壞金屬基體連續性，降低界面結合力，在塑性變形過程中金屬流動不一致，非金屬夾雜與基體間形成線性裂紋。

非金屬夾雜是鑄錠冶金缺陷，具有較高硬度和脆性[7-9]，其產生原因繁多，但如何保證后續板材質量是本文研究重點，通過對自耗爐外加磁場金屬凝固過程進行研究，發現在磁場剪切力作用下，金屬間的氧化夾雜到達熔池邊緣，易于達到形核過冷度，發生非均勻形核，如圖7所示。在自耗爐一次熔煉后，增加表面車光工序，將一次錠表面夾雜去掉后在進行二次熔煉，基本解決夾雜對后續板材生產影響。

→－熔煉電流I的方向；－磁場力F的方向；B－磁場方向；⊙－穏弧電流方向

圖8 產品表面實例圖

純鈦類板材共進行11批次一次錠車光、軋制實驗，工序過程如圖8所示。板材整卷缺陷統計見表2。

表2 一次錠處理表面缺陷統計表

4 結論

（1）基于純鈦板材缺陷特征，結合非金屬夾雜特性，推導出非金屬夾雜在自耗爐金屬熔池縱向磁場作業下凝固模型；

（2）純鈦鑄錠一次錠處理試驗表明，鑄錠經一次錠處理后，可解決非金屬夾雜產生線性缺陷對板材影響。

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Correlation Between Linear Crack and Quality of Ingot in Pure Titanium Plate

DAI Shan1, ZHANG Wei2, WU Dong1, QU Jia-dong1, ZHAO Bing-bing1, GAO shang-fei1, DENG Zuo-peng1

(1. Chinalco Shenyang Non-ferrous Metals Processing Co.,Ltd .., Shenyang 110100, China;2.Shenyang Aircraft Industry (Group) Co.,Ltd.., Shenyang 110000, China）

The morphology and formation mechanism of linear crack were analyzed by means of metallographic microscope, scanning electron microscopy(SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The results exhibit that influencing factors are between quantity of ingot and plate surface, the non-metallic model is formed during solidification when self-consuming furnace is influenced by electric field (longitudinal direction). Furthermore, the proposed model is validated by once ingot treatment of the pure ingot under this circumstance.

pure titanium; linear crack; non-metallic inclusion; surface treatment

TG339

A

1674-3261(2021)01-0034-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.01.008

2020-01-17

戴山(1986-)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，碩士。

責任編校：劉亞兵