鈦合金因其比強度高，高溫性優異，生物相容性好等優點，廣泛應用于航空、航天、醫療等各個領域 [1-3]。隨著鈦合金的使用量不斷增加，鈦合金冶金缺陷的預防顯得尤為重要。鈦合金制備過程中常見的冶金缺陷有偏析、夾雜、孔洞等 [4-6]，該類缺陷一旦產生就會產生嚴重的質量事故，因此各類缺陷的形成機理和特征、再現實驗和控制方法備受關注。偏析缺陷最為典型的就是 β 斑、富鈦偏析、富鋁偏析?，F有研究中 [7-9]，β 斑的形成機理和控制方法的研究已經十分成熟，β 斑主要有兩種形成機制，一種是柱狀晶中的條狀偏析所致，另一種是等軸晶和柱狀晶轉變區的偏析所致。因此，眾多研究者提出了降低熔池深度，形成全柱狀晶的方法來減輕或消除 β 斑。富鈦偏析 [10] 形成的主要原因：一次熔煉過程中發生海綿鈦掉渣所致，此外，使用純鈦起弧料也有導致富鈦偏析的風險。關于富 Al 偏析的研究，現有文獻中大多只提及其簡單特征 [11-12]，并沒有針對富 Al 偏析缺陷再現，以及和鑄錠縮孔的關系進行研究。
基于上述原因，本工作在鑄錠中預制了縮孔，來研究經過鍛造和變形后是否可以再現富 Al 偏析，并取相同工藝下相同合金的縮孔進行研究分析，以確認兩者的相關性，旨在為控制和消除富 Al 偏析提供依據。
1、實驗材料與方法
通過真空自耗電弧爐回收生產 2 支 Φ920mm 規格 TC4 合金鑄錠，并且 2 支鑄錠的熔煉工藝完全相同。分別標記為 1# 鑄錠和 2# 鑄錠，其中 1# 鑄錠用于加工成棒材，2# 鑄錠用于解剖縮孔。1# 鑄錠經過開批、多火次鍛造，最終獲得 8 支 Φ95mm 棒材（分別標記為 1~8），隨后使用 MS700 探傷儀對棒材進行探傷，并未發現異常。為進一步確認是否存在缺陷，取對應鑄錠補縮位置的棒材（棒材 1）進行連續切片，然后進行沖壓變形，通過低倍腐蝕確認后，對表面疑似缺陷的試樣進行解剖分析。
針對缺陷實驗片首先使用線切割切取金相樣品，經磨樣、拋光、超聲波清理等處理后，利用 Kroll 試劑進行腐蝕，腐蝕時間為 5~10s。使用奧林巴斯 GX71 型號金相顯微鏡進行組織觀察和照片采集，并使用 Image J 軟件進行了相含量分析。使用 JSM-IT700HR 掃描電鏡進行能譜分析，使用 ZAu-A 維氏顯微硬度計進行不同區域的顯微硬度測試。
針對縮孔上部、左邊、右邊和下部 4 個不同的位置，分別取尺寸為 10mm×10mm×10mm 的試樣，分別針對其進行能譜分析，采用 MeltFlow 軟件進行了鑄錠熔煉的模擬，用以分析縮孔的演變和溫度場的分布情況，以確認鑄錠縮孔與棒材富鋁偏析的對應性。
2、實驗結果與分析
2.1 缺陷低倍和高倍結果
經確認缺陷位置對應棒材心部區域附近，并靠近棒材頭部位置（與鑄錠冒口位置對應），圖 2 為沿缺陷中心縱剖后的低倍特征，其中，A 位置相對處于 B 位置上方，可以看出缺陷縱剖特征在低倍上呈現出條帶狀特點，且低倍上偏暗，而正常區域則相比偏亮，這主要是因為缺陷位置和正常區域不同組織經腐蝕后，在光源漫反射下的作用所致，如圖 2 中箭頭所示。
為進一步確認缺陷位置的特征，對缺陷從上到下的不同位置和正常區域進行了采集，具體金相結果如圖 3 所示。從圖 3 (a) 中可以看出，對應頭部位置的缺陷區域高倍下呈現為亮條帶，存在明顯 α 相聚集特征，α 相含量高達 97% 以上。隨著從頭部位置向下逐步采集金相，發現缺陷區域的亮條帶范圍逐步變窄，且缺陷區域的 α 相含量逐步減少，如圖 3 (b)~(e) 所示。圖 3 (f) 為正常區域的金相照片，可以看出與缺陷區域明顯不同，正常區域表現出等軸 α 相均勻分布特征。進一步觀察可以發現，雖然缺陷區域 α 相含量相比正常區域明顯增加，但是缺陷區域并沒有出現裂紋或孔洞情況，這也解釋了為什么接觸法探傷沒有發現異常的原因。接觸法探傷針對孔洞、裂紋、夾雜等缺陷靈敏度很高，但是針對組織差異靈敏度不高，因為其主要是利用超聲波的反射進行信號確認。從金相特征可以基本確認該缺陷為 α 穩定元素的偏析所致。
為了進一步研究不同缺陷區域的高倍組織差異程度，選取了圖 3 (a)~(e) 缺陷區域和正常區域的圖 3 (f) 中典型組織的 400μm×300μm 區域，如圖 3 方框所示，在 200× 下采集照片，利用 Image J 軟件，進行了 α 相含量的定量統計分析，α 相含量分析結果如圖 4 所示。其中正常區域圖 3 (f) 中 α 相含量為 47.23%，而缺陷區域隨著過渡區域至最嚴重的缺陷核心區域 α 相含量逐步升高，在圖 3 (a) 缺陷區域 α 相含量高達 88.26%。
2.2 缺陷能譜分析結果
圖 5 為缺陷分析時能譜測試的位置說明圖。由于 TC4 合金為兩相合金，能譜采用點掃時會有很大的誤差，因為 α 相和 β 相上本身就有明顯的元素差異，因此，能譜分析采用面掃來確認缺陷區域和正常區域的成分差異。針對缺陷測試區域分別標記為 1~7 位置，正常區域標記為 8~10。需要特別說明的是 1~3 位置對應缺陷縱剖后的最上部位置，4~5 位置對應缺陷的中部位置，6~7 位置對應缺陷最下部位置。
表 1 缺陷區域和正常區域不同位置的能譜結果 (質量分數 /%)
| Area | Al | V | Ti |
| 1 | 10.30 | 4.45 | 85.25 |
| 2 | 10.20 | 4.34 | 85.46 |
| 3 | 9.97 | 4.27 | 85.76 |
| 4 | 9.55 | 4.34 | 86.11 |
| 5 | 9.03 | 4.73 | 86.24 |
| 6 | 9.07 | 4.02 | 86.91 |
| 7 | 8.97 | 4.13 | 86.90 |
| 8 | 5.86 | 5.05 | 89.09 |
| 9 | 5.64 | 5.31 | 89.05 |
| 10 | 5.76 | 4.66 | 89.58 |
可以看出，1~7 缺陷位置 Al 元素含量存在偏高的現象，其中缺陷區域 Al 元素含量最大為 10.30%（質量分數，下同），且 1~7 缺陷區域能譜測試的 Al 元素均值高達 9.58%。而 8~10 正常區域 Al 元素含量最大 5.86%，Al 元素含量的均值僅為 5.75%，明顯低于缺陷區域 Al 元素的含量水平。
能譜分析是半定量分析方法，在相同狀態下進行能譜測試，從缺陷區域和正常區域的測試結果來看，缺陷區域存在規律性 Al 元素高于正常區域，也能證明實際缺陷區域 Al 元素含量確實比正常區域高。因此，根據能譜結果基本可以斷定該缺陷就是富 Al 偏析。此外，缺陷發生區域與鑄錠預留縮孔位置基本一致，所以說明鑄錠預制縮孔后，經過鍛造和變形該缺陷得到了遺傳。
2.3 缺陷硬度分析結果
為了進一步確認缺陷的特征，對缺陷區域和正常區域進行了顯微硬度測試，其中正常區域隨機測試了 3 個位置，缺陷區域選取了 3 個典型位置進行了顯微硬度測試，圖 6 所示。顯微硬度的結果如表 2 所示，可以看出，缺陷區域的平均顯微硬度為 401.33HV，明顯高于正常區域的平均顯微硬度 304.33HV。一方面，Al 元素是典型的 α 相穩定元素 [13-14]，因此 Al 元素富集導致了 α 相的增多。另一方面，通過材料基礎知識可知，Al 元素具有固溶強化的作用 [15]。因此，Al 元素富集區域顯微硬度才明顯高于正常區域。
表 2 缺陷區域和正常區域的顯微硬度結果
| Region | Position 1 | Position 2 | Position 3 | Average |
| Defect | 420 | 387 | 397 | 401.33 |
| Normal | 301 | 311 | 301 | 304.33 |
2.4 鑄錠縮孔能譜分析結果
針對上述試樣片中的缺陷，已經通過實驗結果證明了是富 Al 偏析，且對應鑄錠預制的縮孔位置。但是鑄錠的縮孔處是否有相同的偏析規律仍未可知，因此針對 TC4 合金縮孔進行了能譜分析，以確認是否與試樣片偏析規律一致。
為了詳細研究縮孔不同位置的元素偏析規律，圖 7 為實際鑄錠縮孔的縱剖截面圖，并將縮孔的區域粗略地化分為上部、下部、左邊和右邊，以便確認不同的差異。
針對不同位置試樣進行了能譜分析，測試位置見圖 8，并將能譜結果取平均值，結果匯總如表 3 所示。從表 3 中可以看出，縮孔不同位置的 Al 元素含量明顯不同，表現出了一定的規律性。對應縮孔上部的 Al 元素含量最高，平均值為 9.59%，縮孔左側和右側水平相當，均值分別是 5.91% 和 6.14%，對應縮孔下部的 Al 元素含量相對最低，均值僅為 5.33%。上述結果說明，鑄錠中縮孔 Al 元素的偏析主要集中在上部位置，這也與本工作再現的富 Al 偏析上部最嚴重相對應。
表 3 縮孔不同位置的能譜結果均值 (質量分數 /%)
| Fig.8 | Al | V | Ti |
| a | 9.59 | 3.53 | 86.88 |
| b | 5.91 | 3.81 | 90.27 |
| c | 6.14 | 3.89 | 89.76 |
| d | 5.33 | 4.01 | 90.66 |
縮孔上部之所以鋁元素含量相比其他位置較高，主要有兩方面原因，一方面鋁元素飽和蒸氣壓相比其他元素較高，在最后的補縮縮孔中極易揮發；另一方面是補縮過程中縮孔不同位置的溫度場不同，導致了上方更容易凝結 Al 元素。圖 9 為通過 MeltFlow 軟件模擬得到的鑄錠溫度場分布情況，可以看出縮孔的心部溫度最高，且縮孔上部和其他縮孔以外部位均溫度較低。隨著冷卻的進行，縮孔區域不斷縮小，最終直至完全凝固。綜合上述兩方面原因可以得出結論：在補縮過程中，首先 Al 元素在縮孔中揮發形成 Al 蒸氣，然后因為縮孔上方溫度場較低，當達到露點時則凝結在上方表面，最終不斷堆積形成富 Al 層。
綜上所述，在鑄錠中預制縮孔，經鍛造和變形并不能消除縮孔處富 Al 偏析。因此，一旦縮孔處存在富 Al 偏析，若采取方法切除，則最終產品有富 Al 偏析的風險。在實際生產中，鈦合金這種富 Al 偏析應徹底杜絕，因為常規的接觸探傷極有可能無法發現，一旦遺傳至最終產品，極有可能發生災難性的質量事故。常有的控制方法有：優化補縮工藝，盡可能地減小甚至消除縮孔的產生；提高探傷精度，盡可能地將縮孔定位出來；鑄錠機加后徹底切除縮孔，或者制定切除冒口的最低下限進行控制。
3、結論
(1) 對棒材而言，富鋁偏析處低倍呈現出暗色條帶狀，高倍表現為 α 相含量密集特征。缺陷區域存在明顯的鋁元素富集現象，鋁元素含量均值高達 9.58%，明顯高于正常區域 5.86%，且缺陷區域的平均顯微硬度為 401.33HV，明顯高于正常區域的平均顯微硬度 304.33HV。
(2) 對鑄錠縮孔而言，Al 元素的偏析最嚴重的位置在上部。這是因為在補縮過程中，Al 元素首先在縮孔中揮發形成 Al 蒸氣，然后因為縮孔上方溫度場較低，當達到露點時則凝結在上表面，最終不斷堆積形成富 Al 層。
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（注，原文標題：TC4鈦合金鑄錠縮孔與富鋁缺陷的相關性研究）
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