TA17合金冷轧板材表面条状裂纹缺陷成因分析

cseirwla

TA17 合金是一种三元钛合金，名义成分为Ti-4Al-2V，其中含有少量的α稳定元素Al以提高合金的热强性，少量的β稳定元素V可起到细化晶粒和改善工艺塑性的作用，其冷加工性能优于TC4合金。TA17合金具有中等强度，焊接性能和抗水腐蚀性能优良，静力和循环强度较高，热处理及其后的喷砂对合金的强度、塑性和低周疲劳性能无影响。TA17合金由苏联普罗米修斯中央结构材料科学研究院研制，其国际牌号为ЛТ-3B合金，主要用在造船、原子能、化工、航空等领域，特别是作为舰船壳体材料，其产量一度占苏联钛合金成品的1/3～1/2。在我国该合金主要产品形式为板材、锻件、棒材和丝材。

相对传统的普通金属材料而言，钛合金加工难度大，因而在生产过程会产生各种缺陷，即便如此，关于TA17合金冷轧板材表面裂纹缺陷却鲜有研究报道。科研人员针对TA17合金板材在冷轧过程中产生的条状裂纹缺陷进行分析，找到其形成原因，以便为生产出表面质量合格的TA17合金薄板材提供技术支撑。
TA17合金冷轧板材生产的基本流程为：合金熔炼→板坯锻造→热轧→冷轧。在出现表面条状裂纹的冷轧板上取样进行化学成分分析，对冷轧板条状裂纹表面及截面取样进行形貌及微区成分分析。体视观察在DM6000体视镜上进行，用JSM-7001扫描电镜及附带的INCA-7557能谱仪进行裂纹表面、截面形貌及微区成分分析。
分析发现，条状裂纹处含有大量的氧元素，可见冷轧板表面条状裂纹出现与板材氧化有极大的关系。冷轧时不会使TA17合金板氧化，而板材氧化只可能在退火过程中发生。因此推断这些氧化缺陷在退火后的碱酸洗过程中未被完全去除而残留在板面上，导致在随后的进一步冷轧过程中沿着轧制方向出现了条状裂纹。
首先是在冷轧前的退火过程中，板材表面被氧化，而在板材表面存在质量缺陷的地方，如晶界露头、夹杂等缺陷处为氧化提供了通道，这些部位的氧化更为深入。在随后的碱酸洗等表面清理过程中，表面缺陷存在的部位由于氧化较深，且碱酸洗时间不足，未能完全去除掉氧化层而残留在板面上。这些残留的氧化缺陷在随后的冷轧过程中因为其塑性差不能与基体协同变形而沿着轧制方向被拉长而断裂成一连串的小孔洞，随着轧制变形进一步加大，这些成串的小孔洞被进一步拉长拉大，彼此分割开，而脆性氧化物发生部分脱落，最后形成线性的锯齿状的条状裂纹缺陷。板材发生脱落而露出的部位因固溶一定量的氧使得塑性比基体差，在轧制过程中不能与基体产生一致的塑性变形而出现大量微裂纹，因这部分富氧层的氧含量较低，同时氧含量高的部分已经脱落，使得残留部分的氧不能被能谱测出，因而能谱分析部位没有发现明显的氧元素。
以上分析表明，要消除TA17板坯的条状裂纹，首先要保证合金无冶金夹杂缺陷，而真空自耗电弧熔炼对合金除杂提纯效果有限，因此必须控制原料的质量，即要保证海绵钛及V-Al合金的质量。其次是在退火后保证足够的碱酸洗时间，将表面氧化缺陷去除干净。三是对冶金缺陷导致的表面孔洞等质量缺陷在冷轧前应清除干净。