發(fā)布日期：2022-2-24 23:00:52
引言
GR2純鈦具有密度小、耐腐蝕性好和人體親和性較好等特點，可以用來制作手表框及表蓋。由于手表兼具裝飾性功能，對手表用鈦材的表面和組織均勻性要求較高，如果材料存在組織不均勻或其他缺陷時，會影響成品的美觀和使用。
GR2純鈦棒材在平端頭工序中，會出現(xiàn)如圖１所示缺陷，此類缺陷呈點狀，不規(guī)則地分布在棒材端部，且會沿棒材縱向延伸，延伸長度依據(jù)缺陷大小而定。此類缺陷在端面打磨、拋光后更加明顯，呈浮凸狀。圖２所示為帶有缺陷的GR2純鈦棒材制成表蓋后點狀缺陷的形貌。從圖中可見，棒材經(jīng)過切斷、鍛壓、沖壓、打磨、拋光后，點狀缺陷并沒有消除，反而更加明顯，嚴重影響了手表的美觀和使用。因此，分別對此類典型缺陷的化學成分、顯微組織和維氏硬度等進行測試，并對點狀缺陷產(chǎn)生的原因及應對措施進行分析，以期能夠解決此類問題。
1、實驗
實驗材料為GR2純鈦棒材，規(guī)格為φ20ｍｍ，化學成分如表１所示。棒材端面典型點狀缺陷見圖３，圖中可見ａ、ｂ兩處缺陷，觀察發(fā)現(xiàn)ａ處缺陷顏色較深，與基體反差較大；表面有凸起現(xiàn)象，并有孔洞；且分布集中，呈塊狀區(qū)域。ｂ處缺陷呈發(fā)散狀，分布區(qū)域較大，表面有凸起現(xiàn)象。
為了進一步分析缺陷區(qū)域與基體組織的差異，沿典型缺陷ａ區(qū)和ｂ區(qū)中心部位（圖３中畫線位置）沿棒材縱向切割。采用OLYMPUSPMG3型倒置式顯微鏡觀察其斷面顯微組織；采用401MWD型數(shù)顯顯微維氏硬度計測量ａ、ｂ兩處缺陷和基體的顯微硬度，保壓時間為30ｓ，加載載荷為300ｇ；采用JSM-6460掃描電鏡的EDS附件分析缺陷區(qū)域的化學成分；采用島津公司EPMA-1600型探針顯微分析儀（EPMA）對ａ區(qū)縱向微量元素進行定量分析。
2、結(jié)果與討論
2.１ 縱向顯微組織分析
缺陷樣品沿縱向切割后的顯微組織如圖４所示，放大倍數(shù)均為50倍。圖４ａ、ｂ、ｃ分別為缺陷ａ區(qū)上端面、中部和下端面的顯微組織，圖４ｄ、ｅ、ｆ分別為缺陷ｂ區(qū)上端面、中部和下端面的顯微組織。
由縱向顯微組織可以看出，缺陷ａ區(qū)和缺陷ｂ區(qū)均呈條帶狀，沿棒材縱向延伸，有一定的區(qū)域性；缺陷以外的基體組織為典型純鈦等軸α組織，晶粒等級約為９級，晶粒大小均勻，晶界清晰，并且無“沿縱向延伸”這種現(xiàn)象。
圖４ａ中缺陷ａ區(qū)可見明顯孔洞，并且沿縱向拉長；從圖４ｂ、ｃ可以看出，缺陷ａ區(qū)縱向中部和下端面部沒有孔洞，但是金相組織同周圍正常部位相比呈現(xiàn)出異常，可看到沿著棒材縱向有明顯的條帶狀延伸，有明顯的區(qū)域性，邊界清晰，呈集束狀；
集束內(nèi)的顯微組織無論形貌還是晶粒大小都與兩邊基體組織一致，只是在集束區(qū)內(nèi)的晶粒有“褶皺”現(xiàn)象，這種組織形貌應為ａ區(qū)端面缺陷延伸至該處“弱化”的一種體現(xiàn)，并未造成組織的改變，只是影響界面形貌，最終缺陷區(qū)域逐漸消失。
圖４ｄ、ｅ、ｆ為典型缺陷ｂ區(qū)的縱向顯微組織。由圖中可見，該區(qū)域兩端面和中部區(qū)域顯微組織基本一致，呈發(fā)散狀的縱向延伸，缺陷區(qū)與基體區(qū)存在過渡區(qū)域，且彌散分布；缺陷區(qū)組織為條帶狀，并且與基體逐漸過渡，從沒有明顯的晶界演變?yōu)榫Ы缰饾u清晰的拉長狀晶粒，最終演變?yōu)榫Ы缤暾牡容S組織。
綜上，缺陷區(qū)域包括孔洞及異常組織等冶金缺陷，且均沿棒材縱向拉長、延伸，這是由于鈦錠在鍛造、熱軋加工成棒料時，孔洞等缺陷沿縱向被拉長并殘留在材料當中。
2.2 顯微硬度測試
圖５為GR2純鈦棒材各區(qū)域顯微硬度分布圖。
從圖中可以看出，缺陷區(qū)域（ａ區(qū)和ｂ區(qū)）的顯微硬度值明顯高于基體，為3420～3696MPa，約為基體顯微硬度的２倍。基體組織硬度分布較均勻，為
1607～1803MPa；缺陷ａ區(qū)域附近基體硬度分別為1793、1803MPa，略高于缺陷ｂ區(qū)附近基體的硬度，說明兩處缺陷對附近基體組織顯微硬度的影響程度不同，缺陷ａ區(qū)對基體顯微硬度影響較大。
２.３ 化學成分分析
為了分析缺陷區(qū)域化學成分，利用EDS能譜儀對上述樣品基體和兩缺陷區(qū)域進行成分檢測，結(jié)果如表２所示。從EDS分析結(jié)果可見，基體與缺陷區(qū)域主元素成分一致，均為Ti，無其他成分差異，由于EDS檢測的精度有限，推斷應屬于微量的雜質(zhì)含量差異。利用EPMA分析方法對缺陷區(qū)域ａ進行面掃描分析，由于Ｈ元素質(zhì)量較小，對Ti、Fe、C、N、O進行分析，結(jié)果如圖６所示。
其中，C、Ti、Fe的色帶度量單位為質(zhì)量分數(shù)（w％），N、O的色帶度量單位為特性Ｘ射線強度。由EPMA分析結(jié)果可見，Ti、Fe、C、O元素含量均勻一致，缺陷區(qū)域與基體部分含量相近，無明顯區(qū)別；N元素濃度在缺陷區(qū)域明顯高于周圍基體。由此可見，缺陷區(qū)域顯微組織和顯微硬度的差異是由于N元素的異常分布（氮富集）導致的。
3、改進措施
通常來說，鈦與氮的親和性較高，氮元素會對金屬鈦的機械性能產(chǎn)生影響。氮含量過高時，鈦會變硬變脆。綜上，GR2純鈦棒材中的點狀缺陷應為熔煉時局部產(chǎn)生了氮富集，其中一些氮以氣泡的形式殘留在鑄錠當中；鈦錠中有氣泡殘留的地方經(jīng)鍛造軋制加工后，氣泡產(chǎn)生的孔洞沿縱向被拉長殘留在材料當中；由于金屬鈦中氮元素會對材料機械性能產(chǎn)生影響，鈦錠在鍛造、熱軋加工成棒料時由氮富集所導致的機械性能異常部位則沿棒料被縱向拉長；棒料經(jīng)橫向切割、拋光后，氮富集導致的機械性能異常部位就呈現(xiàn)了表面異常（浮凸狀）現(xiàn)象。因此，分析認為該缺陷產(chǎn)生的主要原因是鑄錠熔煉時產(chǎn)生了氮富集，原材料或者熔煉時的環(huán)境控制環(huán)節(jié)出現(xiàn)了某些問題。
通過對鑄錠的真空電弧熔煉過程進行分析，產(chǎn)生該問題的原因應為：①海綿鈦的純潔度不高，低品質(zhì)海綿鈦中含有富N的TIN顆粒，熔煉時未剔除干凈；②在電極焊接時未采取有效的保護措施，焊接時大氣介質(zhì)導致N元素增加。后續(xù)在熔煉過程中針對以上兩點進行改善、驗證，預先進行海綿鈦的篩選，剔除氮化的海綿鈦塊（TIN）、帶殘渣或富鐵及伴生元素的海綿鈦塊；電極組焊時用氬氣保護等離子焊接，避免焊縫出現(xiàn)發(fā)藍等氧化、氮化現(xiàn)象。經(jīng)過幾批次驗證，成品棒材組織均勻，無點狀缺陷等類似缺陷，該問題得到明顯改善。
4、結(jié)論
(1) GR2純鈦棒材端部點狀缺陷具有以下特質(zhì)：宏觀可見凸起現(xiàn)象，其中一些有孔洞；缺陷區(qū)域沿棒料縱向延伸，顯微組織同周圍正常組織相比呈現(xiàn)異常；缺陷區(qū)域的顯微硬度約為基體顯微硬度的２倍；缺陷區(qū)域位N含量較高（氮富集）。
(2) 氮元素會對金屬鈦的機械性能產(chǎn)生影響，氮含量過高鈦會變硬變脆。文中所述GR2純鈦棒材中的點狀缺陷應為鑄錠熔煉時局部產(chǎn)生了氮富集，可能原因為：一是海綿鈦里含有富N的TIN顆粒，熔煉時未剔除干凈；二是在電極焊接時未采取有效的保護措施，焊接時接觸大氣導致N元素增加。
(3) 熔煉純鈦鑄錠時預先進行海綿鈦的篩選，剔除氮化的海綿鈦塊（TIN），電極組焊時用氬氣保護等離子焊接，避免與大氣接觸，可有效避免此類缺陷。
參考文獻
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