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TC17鈦合金中的偏析現象研究
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-05-08
TC17合金是一種綜合性能優良的近β型合金，該合金不但具有較高的強度、斷裂韌性、熱穩定性及疲勞性能，而且淬透性高、熱加工性能好。
???鈦合金作為一種重要的結構材料，因其綜合性能（比強度、抗腐蝕性、熱強性）優異，被廣泛地應用于航空航天領域。TC17合金是一種綜合性能優良的近β型合金，該合金不但具有較高的強度、斷裂韌性、熱穩定性及疲勞性能，而且淬透性高、熱加工性能好。自20世紀70年代以來，該合金以優異的性能逐漸進入航空制造領域，并作為壓氣機盤等鍛件的材料在較高推力的發動機上使用。由于該合金中添加了大量的合金元素，熔煉過程如控制不當，極易產生偏析。因此有必要對其中偏析的形貌、合金元素的富集狀況及分布規律進行研究，以便針對性地優化目前的熔煉工藝，為生產優質的TC17鈦合金奠定理論基礎。
試驗所用TC17鑄錠由西部鈦業有限責任公司生產，鑄錠直徑為Φ620㎜，經3次真空自耗熔煉而成，對該鑄錠上、中、下3點圓周進行取樣分析，其化學成分符合G/BT3620.1-2007標準要求。
用金相法測得該鑄錠的相變點為875℃～880℃。鑄錠經扒皮、切除冒口及錠底后轉入鍛造工序。用2500t壓機對鑄錠進行β單相區開坯、近β區拔長、滾圓。用SX-16精鍛機在α+β兩相區將滾圓坯料精鍛至Φ60㎜，最終采用250軋機在相變點以下40℃～50℃軋制分別制得Φ32㎜和Φ17㎜兩種規格的棒材，并機加成Φ30㎜和Φ15㎜的成品棒材。對成品棒材進行低倍組織檢驗，對低倍存在問題的部分制備高倍試樣，在金相顯微鏡下進行試樣金相組織觀察，利用能譜對異樣部位進行分析。
試驗發現，兩種規格TC17鈦合金棒材低倍觀察到的亮斑在高倍下呈現為β斑；β斑的形成原因是Cr元素存在偏析現象造成的，Cr元素在偏析區域的含量明顯高于基體，從而導致偏析區域相變點低于基體；偏析主要集中在鑄錠的中心及頭部。
根據鈦合金相圖和合金的凝固理論，在正常的凝固條件下，偏析系數K≥1的合金元素不容易出現偏析，除非熔煉過程中合金元素和中間合金未能充分均勻化；K＜1的合金元素，即使熔融狀態下合金是均勻的，但在凝固過程中同一溫度下固相成分和液相成分仍存在差別，液相中元素含量總是高于固相，導致容易在鑄錠中心和頭部產生偏析。另外，偏析的元素及偏析程度決定了偏析區的實際β相變溫度。在Cr的質量分數為0%～7%范圍內，Cr的質量分數每增加1%，其相變點降低26℃。因此，當鍛件在熱加工或隨后的熱處理過程中，加熱溫度接近相變點時，就可能造成偏析區域超過了相變點，出現β斑。
因此，試驗中兩種規格棒材中心區域出現β斑（亮斑）與熔煉及后續熱加工溫度有關。為了提高鑄錠的均勻性，比較有效的辦法是降低熔化電流、減緩熔煉速度、使熔池深度減小呈扁平狀以縮小等軸晶區域，同時鑄錠不宜過大，因為直徑越大等軸晶區也越大。為了避免出現β斑，合金最大直徑不宜超過720㎜；在熱加工和熱處理時應該嚴格限制加熱的上限，減少變形熱效應，以使偏析區域缺乏產生β斑的必要條件，從而降低危害。
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