周傳忠，俞 川，郭文龍，范小龍，于 雷

（1.海軍裝備部天津軍事代表局，北京100013；2.北京航星機(jī)器制造公司，北京100013）

BT-14 鈦合金是一種可強(qiáng)化熱處理的鈦合金，具有良好的焊接性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性，在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。BT-14鈦板為某型號(hào)艙體結(jié)構(gòu)用材料，在對(duì)BT-14鈦板制成的艙口蓋進(jìn)行焊前檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)總共13 件艙口蓋表面有數(shù)量不等、白色圓狀的斑點(diǎn)。繼續(xù)使用帶白斑的艙口蓋可能存在安全隱患，報(bào)廢則將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。針對(duì)白斑組織對(duì)艙口蓋的使用性能影響不詳，本文從白斑組織的外觀形貌、微觀組織以及力學(xué)性能等方面入手，分析了白斑組織對(duì)艙口蓋使用性能的影響，提出解決措施，并針對(duì)后續(xù)鈦板的使用問(wèn)題提出了相關(guān)質(zhì)量要求。

1 白斑分析

1.1 外觀形貌

白斑出現(xiàn)在某型號(hào)艙體艙口蓋外蓋上，見(jiàn)圖1。經(jīng)觀察，白斑組織貫穿整張板材，其顏色明顯區(qū)別于板材基體顏色，直徑大致在10～13 mm之間。外蓋上各白斑尺寸、形貌較為一致，由圖2 可見(jiàn)，白斑由光亮圓形區(qū)域和亮灰色圓環(huán)組成[3]。

圖1 帶白斑艙口外蓋

圖2 白斑形貌

1.2 化學(xué)成分分析

艙口外蓋原材料為厚度為1.2 mm 的BT-14 鈦板。為揭示白斑組織的化學(xué)成分，對(duì)白斑數(shù)量最多的外蓋進(jìn)行了試片切割，對(duì)試片表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1。能譜結(jié)果表明，白斑區(qū)域Si、Fe元素含量超標(biāo)，且還有一定量的W元素。Si元素對(duì)鈦合金的硬度和強(qiáng)度有一定影響，隨著Si 元素含量的增高，硬度和強(qiáng)度逐漸增大[4-5]。

表1 鈦合金板表面能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.3 微觀組織分析

將帶有白斑的外蓋試片用丙酮清洗后放入掃描電鏡，進(jìn)行微觀觀察。基體區(qū)域微觀組織形貌見(jiàn)圖3，由圖可見(jiàn)，組織均勻，晶粒大小一致，形狀較規(guī)則。白斑區(qū)域微觀組織形貌見(jiàn)圖4，由圖可見(jiàn)，晶粒較基體區(qū)域晶粒明顯粗大，且形狀不規(guī)則，有一定的破碎。

圖3 基體區(qū)域表面形貌

圖4 白斑區(qū)域表面形貌

1.4 金相組織分析

對(duì)含白斑的外蓋進(jìn)行剖切，打磨、拋光腐蝕后制成金相試片。金相試片分2 種：基體區(qū)域金相試片和白斑區(qū)域金相試片。

1）基體區(qū)域金相組織。外蓋基體組織均勻細(xì)密，細(xì)小晶粒沿軋制方向分布，見(jiàn)圖5。

圖5 基體區(qū)域組織

2）白斑區(qū)域金相組織。由于白斑組織貫穿外蓋整張板材，可將白斑區(qū)域細(xì)分為3個(gè)：白斑區(qū)域外表面?zhèn)?、白斑區(qū)域中間位置、白斑區(qū)域內(nèi)表面?zhèn)?，分別如圖6所示。①白斑區(qū)域外表面?zhèn)?。白斑區(qū)域外表面?zhèn)葹榈湫偷尼槧铖R氏體組織，見(jiàn)圖7。②白斑區(qū)域中間位置。中間位置的組織晶粒尺寸較大，為過(guò)熱區(qū)組織，見(jiàn)圖8。③白斑區(qū)域內(nèi)表面?zhèn)?。?nèi)表面?zhèn)刃纬梢粚友趸?，厚度約為50 μm，顏色明顯深于其他組織，見(jiàn)圖9。氧化膜層與過(guò)熱區(qū)組織存在呈條狀分布的α′相組織[6-7]，見(jiàn)圖10。

圖6 白斑區(qū)域組織

圖7 針狀馬氏體組織

圖8 過(guò)熱區(qū)組織

圖9 氧化膜層組織

圖10 條狀α′相組織

1.5 性能分析

1）硬度分析。對(duì)外蓋基體區(qū)域和白斑區(qū)域分別進(jìn)行硬度檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。白斑區(qū)域組織硬度值明顯高于基體區(qū)域組織硬度值，且相差較大。

表2 維氏硬度測(cè)試結(jié)果（HV0.3）

2）拉伸性能分析。為檢測(cè)白斑組織對(duì)合金的拉伸性能可能造成的影響，制作拉伸試片，對(duì)合金的拉伸性能進(jìn)行了分析。根據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》中矩形橫截面試樣切取拉伸試片，試片拉伸有效寬度10 mm，拉伸有效長(zhǎng)度45 mm，并將白斑處于拉伸試片中間位置，見(jiàn)圖11所示。對(duì)試片進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試片斷裂位置位于白斑與基體的過(guò)渡區(qū)，如圖12所示。

圖11 拉伸試片

圖12 斷裂試片

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，由表可看出，白斑區(qū)域組織的抗拉強(qiáng)度處于BT-14鈦合金板材正?？估瓘?qiáng)度范圍的上限，但延伸率有所下降。

表3 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)白斑區(qū)域組織的化學(xué)成分、微觀形貌、金相組織以及力學(xué)性能分析，可得出如下結(jié)論：白斑區(qū)域組織的化學(xué)成分中，Si、Fe元素含量超出正常標(biāo)準(zhǔn)，且含一定量的W 元素。外蓋基體組織中晶粒均勻致密，白斑組織中晶粒呈明顯長(zhǎng)大趨勢(shì)，且組織中含針狀馬氏體組織和等軸狀分布的α相組織。Si、Fe 元素增加以及W元素的存在均會(huì)增加白斑組織的硬度；晶粒粗大以及針狀馬氏體組織的存在使白斑組織拉伸強(qiáng)度增大，延伸率降低[8]。

2 白斑成因分析

艙口蓋外蓋成型過(guò)程需經(jīng)過(guò)原材料下料、熱軋、激光切割、圈圓、熱成型、酸洗、點(diǎn)焊等工序。所需工序及相應(yīng)技術(shù)條件見(jiàn)表4。

表4 蓋板加工工序表

外蓋材料為BT-14合金，屬典型的α+β組織合金，其相變點(diǎn)溫度約為920～960 ℃。當(dāng)外界溫度高于合金相變點(diǎn)溫度時(shí)，合金將產(chǎn)生α+β →β的同素異晶轉(zhuǎn)變。隨著溫度在α+β區(qū)內(nèi)的升高，到轉(zhuǎn)變溫度前，在組織中可看到初生α相的數(shù)量減少和原始β晶粒內(nèi)針狀析出。如溫度繼續(xù)升高，合金組織可能過(guò)熱，導(dǎo)致晶粒粗大甚至破裂。β相屬于亞穩(wěn)定相，當(dāng)合金溫度下降時(shí)，會(huì)發(fā)生β →α′馬氏體轉(zhuǎn)變。α′相具有典型的馬氏體針狀組織結(jié)構(gòu)，可提高合金的硬度和強(qiáng)度[9-10]。

通過(guò)對(duì)外蓋白斑組織的分析，組織中存在針狀馬氏體和等軸狀分布的α′相組織，合金受熱溫度超過(guò)相變點(diǎn)溫度，從而產(chǎn)生了同素異晶轉(zhuǎn)變，且合金在快速冷卻過(guò)程中，形成了馬氏體組織。從外蓋的加工工序可得，零件在廠內(nèi)加工時(shí)，經(jīng)歷最高溫度為熱成型工序加工溫度620 ℃，未超過(guò)合金的相變溫度。因而廠內(nèi)加工工序不會(huì)導(dǎo)致白斑的形成。外蓋板材入廠前，熱軋溫度約為950±50 ℃，可達(dá)到BT-14鈦合金的相變溫度。如果熱軋過(guò)程中，防氧化涂層涂抹不均勻或加熱溫度過(guò)高，都可能導(dǎo)致白斑的生成。由于鈦合金活性較大，在空氣中表面易形成氧化膜，板材入廠時(shí)不經(jīng)表面腐蝕難以發(fā)現(xiàn)白斑。后續(xù)對(duì)板材酸洗、加工時(shí)，氧化膜被清除，露出白斑[11]。

3 處理措施

3.1 艙口蓋力學(xué)環(huán)境分析

艙口蓋外蓋（見(jiàn)圖13）通過(guò)點(diǎn)焊的方式與艙口蓋下層框架（見(jiàn)圖14）連接在一起，組成艙口蓋，艙口蓋通過(guò)螺接的方式安裝到艙體上。

圖13 艙口蓋外蓋圖

圖14 艙口蓋框架

按艙口蓋成型結(jié)構(gòu)劃分，外蓋被縱橫交叉的焊點(diǎn)分割成11個(gè)單元，示意圖見(jiàn)圖15、圖16。艙口蓋通過(guò)40 個(gè)螺釘安裝于艙體上，由于螺釘擰緊力作用，圖16所示11 單元承受載荷較大。同時(shí)，圖16 中各區(qū)域的交界處由于外蓋彎曲產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷和外蓋與框架焊接焊點(diǎn)的牽引載荷相互作用，使交界處承受較大載荷。通過(guò)有限元等對(duì)艙口蓋的受力環(huán)境進(jìn)行模擬分析，圖16 所示中11 單元以及各區(qū)域交界處的承受載荷約為艙口蓋其它區(qū)域的1.5倍。

圖15 艙口蓋承力區(qū)域劃分（剖面圖）

圖16 艙口蓋承力區(qū)域劃分（對(duì)應(yīng)圖）

基于對(duì)白斑的組織、性能分析，白斑組織抗拉強(qiáng)度滿足BT-14 鈦合金板材基體組織要求，但延伸率有所降低。當(dāng)白斑處于艙口蓋所受載荷較小區(qū)域時(shí)，其變形受焊點(diǎn)阻隔，雖延伸率有所降低，但并不是艙口蓋最薄弱點(diǎn)，可通過(guò)真空退火等措施優(yōu)化白斑區(qū)域晶體組織，消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性，使其滿足使用要求。當(dāng)白斑處于艙口蓋主要承載區(qū)域時(shí)，組織所受的彎曲、扭轉(zhuǎn)力矩較大，雖未超出合金的最大抗拉強(qiáng)度，但長(zhǎng)時(shí)間承載條件下，從安全性角度不宜再繼續(xù)使用[12]。

3.2 在制品處理措施

通過(guò)分析、統(tǒng)計(jì)剩余12件艙口蓋（1件用于制作拉伸試片）上的白斑分布，制定出不同處理措施，見(jiàn)表5。

表5 帶白斑艙口蓋處理措施

3.3 后續(xù)質(zhì)量控制措施

鈦合金板材入廠時(shí)，表面有一層氧化膜。為保證板材后續(xù)加工生產(chǎn)中，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)白斑或其他表面缺陷，消除安全隱患，制定如下措施：①在鈦合金板材的酸洗后檢驗(yàn)工序中，加強(qiáng)對(duì)零件表面白斑或其他表面缺陷等異常現(xiàn)象的檢查。②對(duì)重要的非焊接、非熱成形零件表面，加工前增加酸洗檢驗(yàn)等措施。③對(duì)發(fā)現(xiàn)的白斑或其他表面缺陷，分析其成因、組織、性能及對(duì)使用性能的影響，確保質(zhì)量及可靠性。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某產(chǎn)品艙體艙口外蓋上白斑問(wèn)題的分析處理，闡述了BT-14 鈦合金板材白斑組織產(chǎn)生的機(jī)理、表象，并對(duì)其組織和性能進(jìn)行分析，由此制定艙口蓋的相關(guān)處理措施。其白斑形成機(jī)理、白斑組織性能影響、質(zhì)量控制措施可為其他鈦合金板材的表面缺陷分析和零件加工使用提供借鑒和參考。

[1] 陶春虎，劉慶瑔，曹春曉，等.航空用鈦合金的失效及其預(yù)防[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002：9-17.

TAO CHUNHU，LIUQINGQUAN，CAO CHUNXIAO，et al. Failure and its prevention of aeronautical titanium alloy[M]. Beijing：National Defense Industrial Press，2002：9-17.（in Chinese）

[2] 瓦利金N 莫依謝耶夫.鈦合金在俄羅斯飛機(jī)及航空航天上的應(yīng)用[M].董寶明，張勝，郭德倫，等，譯.北京：航空工業(yè)出版社，2008：74-79.

VALENTIN N MOISEYEV. Titanium alloy in the Russian aircraft and aerospace applications[M].DONG BAOMIN，ZHANG SHENG，GUO DELIN，et al，Translated.Beijing：Aviation Industry Press，2008：74-79.（in Chinese）

[3] 魏國(guó)華，王松濤，李季.鈦合金熱處理工藝[J].黑龍江冶金，2005(3)：7-10.

WEI GUOHUA，WANG SONGTAO，LI JI. Titanium alloy heat treatment process[J]. Heilongjiang Metallurgy，2005（3）：7-10.（in Chinese）

[4] 蔡建明，李臻熙，馬濟(jì)民，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用600 ℃高溫鈦合金的研究與發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005，19（1）：50-53.

CAI JIANMING，LI ZHENXI，MA JIMIN，et al.Aero engine with 600 ℃high temperature titanium alloys research and development[J]. Materials Review，2005，19（1）：50-53.（in Chinese）

[5] 趙永慶.高溫鈦合金研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2001（1）：33-39.

ZHAO YONGQING. Study on high temperature titanium alloy[J]. Titanium Iindustry Progress，2001（1）：33-39.（in Chinese）

[6] 段銳，蔡建明，李臻熙.初生α相含量對(duì)近α鈦合金TC6拉伸性能和熱穩(wěn)定性的影響[J].航空材料學(xué)報(bào)，2007，27（3）：17-22.

DUAN RUI，CAI JIANMING，LI ZHENXI. The primary phase content in titanium alloy TC6 tensile properties and thermal stability[J]. Journal of Aeronautical Materials，2007，27（3）：17-22.（in Chinese）

[7] 惠松驍，張翥.高溫鈦合金熱穩(wěn)定性研究進(jìn)展-1.組織穩(wěn)定性[J].稀有金屬，1999，23（2）：125-130.

HUI SONGXIAO，ZHANGZHU. Developments in research on thermal stability of high temperature titanium alloy-1. organization stability[J]. Rare Metals，1999，23（2）：125-130.（in Chinese）

[8] 蕭今生，許國(guó)棟.提高高溫鈦合金性能的途徑[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1997，17（4）：97-105.

XIAO JINSHENG，XU GUODONG.The way to improve high temperature properties of titanium alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，1997，17（4）：97-105.（in Chinese）

[9] 張均，李東.高溫鈦合金中的α相[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2002：37-45.

ZHANG JUN，LI DONG. The α phase in high temperature titanium alloy[M]. Shenyang：Northeastern University Press，2002：37-45.（in Chinese）

[10]朱知壽，王新南，吳崇周.鈦合金富氧α層的形成與測(cè)定方法研究[J].稀有金屬快報(bào)，2007，26（12）：24-28.

ZHU ZHISHOU，WANG XINNAN，WU CHONGZHOU.Rich oxygen layer formation and determination of titanium alloy[J]. Rare Metals Letters，2007，26（12）：24-28.（in Chinese）

[11]趙樹(shù)萍，呂雙坤，郝文杰.鈦合金及其表面處理[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003：183-190.

ZHAO SHUPING，LV SHUANGKUN，HAO WENJIE.Surface treatment for titanium alloys[M]. Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2003：183-190.（in Chinese）

[12]付艷艷，宋月清，惠松驍，等.航空用鈦合金的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].稀有金屬，2006，30（6）：850-856.

FU YANYAN，SONG YUEQING，HUI SONGXIAO，et al. Aeronautical titanium alloys research and application progress[J]. Rare Metals，2006，30（6）：850-856.（in Chinese）