中文核心期刊

SCOPUS 数据库收录期刊

中国科技核心期刊

美国《化学文摘》来源期刊

中国优秀冶金期刊

美国EBSCO数据库收录期刊

RCCSE中国核心学术期刊

美国《剑桥科学文摘》来源期刊

中国应用核心期刊(CACJ)

美国《乌利希期刊指南》收录期刊

中国学术期刊综合评价统计源刊

俄罗斯《文摘杂志》来源期刊

优秀中文科技期刊(西牛计划)

日本《科学技术文献数据库》(JST)收录刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

钛合金中的一种富碳缺陷及其导致的变形开裂行为

郑友平 王立亚 秦海旭 耿乃涛 李露 陈炜

郑友平, 王立亚, 秦海旭, 耿乃涛, 李露, 陈炜. 钛合金中的一种富碳缺陷及其导致的变形开裂行为[J]. 钢铁钒钛, 2025, 46(1): 45-52. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2025.01.007
引用本文: 郑友平, 王立亚, 秦海旭, 耿乃涛, 李露, 陈炜. 钛合金中的一种富碳缺陷及其导致的变形开裂行为[J]. 钢铁钒钛, 2025, 46(1): 45-52. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2025.01.007
ZHENG Youping, WANG Liya, QIN Haixu, GENG Naitao, LI Lu, CHEN Wei. Carbon enriched defect and the associated deformation cracking behaviors in a titanium alloy[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2025, 46(1): 45-52. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2025.01.007
Citation: ZHENG Youping, WANG Liya, QIN Haixu, GENG Naitao, LI Lu, CHEN Wei. Carbon enriched defect and the associated deformation cracking behaviors in a titanium alloy[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2025, 46(1): 45-52. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2025.01.007

钛合金中的一种富碳缺陷及其导致的变形开裂行为

doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2025.01.007
基金项目: 国铁集团重点课题(N2023J049),国家重点研发计划项目(2023YFB3710700)。
详细信息
    作者简介:

    郑友平,1989年出生,男,四川苍溪人,博士,从事钛合金相关研究,E-mail:zhenguping@pzhsteel.com.cn

  • 中图分类号: TF823

Carbon enriched defect and the associated deformation cracking behaviors in a titanium alloy

  • 摘要: 针对Ti-6Al-4V钛合金锻棒中超声波探伤出现异常杂波的问题,通过光学显微镜和扫描电镜金相分析、显微硬度、能谱、电子探针、背散射电子衍射等表征方法,在锻棒中出现异常杂波的位置发现了不常见的富碳缺陷及其导致的裂纹缺陷。首先,在微观组织中观察到了一种被α相稳定区域环绕的斑块特征。然后,通过化学成分和晶体学分析,确认了这种斑块是具有有序FCC晶格的Ti2C相,而环绕的α相稳定区域则是由硬α相组成。根据化学元素分布特点,推定缺陷来源是受到富含碳氮等元素的异物污染的原材料。在锻造变形过程中,微裂纹在Ti2C/α相界形成,并向α相内扩展。微裂纹最终突破Ti2C晶粒的裂尖桥接作用,汇合形成宏观裂纹缺陷。
  • 图  1  锻棒探伤异常位置切片取样上的宏观缺陷

    Figure  1.  Macro defects on the slice sample in abnormal detect position from the forging bar

    图  2  P0和P1位置的扫描电镜形貌

    (a) 正常的微观组织;(b)斑块上的裂纹;(c)斑块周围的α相稳定区域;(d)微裂纹和微孔洞;(e)α相稳定区域的变形带;(f)斑块中的细小析出相

    Figure  2.  SEM images at P0 and P1

    图  3  在斑块组织区域的能谱面扫描结果

    Figure  3.  EDS mapping analysis results about a fleck

    图  4  碳化物、邻近区域、正常区域的显微硬度

    Figure  4.  Micro hardness measured in carbide fleck area, neighborhood area and normal microstructure area

    图  5  化学成分的电子探针定量分析

    (a)未进行腐蚀的金相试样上的电子探针分析的位置;(b)化学元素的质量百分数-位置曲线

    Figure  5.  Quantitative analysis of chemical composition by electron probe

    图  6  斑块组织的电子背散射衍射分析结果

    (a)菊池带衬度(Band contast);(b)物相分布

    Figure  6.  Electron backscatter diffraction analysis of plaque tissue

    图  7  缺陷区域的晶体学位向分析

    (a)αP、(b)Ti2C、(c)Ti3O的y轴方向反极图(IPF)位向图,(d)αP、(e)Ti2C、(f)Ti3O的极图(PF),(g)反极图位向图中晶向的颜色标尺

    Figure  7.  Crystal orientation analysis of defect regions

    图  8  缺陷区域热加工过程中的组织演变机制

    Figure  8.  Microstructure evolution mechanism of the defect area during hot deformation

    图  9  图5(a)中虚线标记区域的能谱面扫描分析结果

    (a)能谱面扫描图;(b)αA区域的亮度-距离曲线

    Figure  9.  EDS mapping test results within the dash marked area in Fig. 5(a)

    图  10  热变形过程中碳化物引起的开裂行为分析

    (a)钛合金双相微观组织承受15%下压量的等效应变场仿真[13];(b)局部位向差图(KAM);(c)小角度晶界比例-角度曲线;(d)Ti2C斑块区域中的裂纹

    Figure  10.  Analysis of cracking behavior caused by carbide during thermal deformation

    表  1  在斑块区域、邻近区域、正常区域通过电子探针分析获得的化学成分

    Table  1.   EPMA results at Fleck, the neighborhood, and the normal area %

    位置 Ti Al V Fe O N H 总计
    斑块 88.7 0.16 0.77 0.006 0.160* 89.796
    邻近区域 92.6 4.46 1.96 0.005 0.160* 99.185
    正常区域P0 89.5 6.03 4.12 0.173 0.160* 99.983
    宏观化学成分 6.10 4.06 0.190 0.160 0.0064 0.0009
    * 由于电子探针无法准确测定轻气体元素的含量,氧元素的微区含量参照宏观化学成分检测结果。
    下载: 导出CSV

    表  2  常见合金元素影响钛合金相变点的经验系数[1112]

    Table  2.   The empirical coefficients influencing the phase transition point for commonly titanium alloying elements[1112]

    元素 w/% 系数
    α稳定元素 Al** 0.0~2.0 14.5
    2.0~7.0 23.0
    N 0.0~0.5 5.5
    O 0.0~1.0 2.0
    C 0.0~0.15 2.0
    β稳定元素 H 0.0~5.0 −5.5
    Si 0.0~0.45 −1.0
    Mo 0.0~5.0 −5.5
    V 0.0~10.0 −14.0
    Fe 0.0~15.0 −16.5
    Cu 0.0~7.0 −12.0
    Nb 0.0~10.0 −8.5
    Cr 0.0~7.0 −15.5
    中性元素 Zr 0.0~10.0 −2.0
    Sn 0.0~18.0 −1.0
    ** 铝元素对相变点的影响的计算方法为分段计算并累积结果;为每变化1.00%的结果;为每变化0.01%的结果;为每变化0.10%的结果。
    下载: 导出CSV
  • [1] LÜTJERING G, WILLIAMS J C. Titanium, second ed[M]. New York: Springer Berlin Heidelberg, 2007: 68-69.
    [2] LEYENS C, PETERS M. Titanium and titanium alloys[M]. Wiley-VCH Weinheim, 2003: 9-10.
    [3] SUN F S, LAVERNIA E J. Creep behavior of nonburning Ti-35V-15Cr-xC alloys[J]. J. Mater. Eng. Perform., 2005,14:784-787. doi: 10.1361/105994905X75619
    [4] YAMAMOTO S, DATE N, MORI Y, et al. Effects of TiC addition on directionally solidified microstructure of Ti6Al4V[J]. Metall. Mater. Trans. A, 2019,50A:3174-3185.
    [5] WANJARA P, DREW R A L, ROOT J, et al. Evidence for stable stoichiometric Ti2C at the interface in TiC particulate reinforced Ti alloy composites[J]. Acta Mater., 2000,48:1443-1450. doi: 10.1016/S1359-6454(99)00453-X
    [6] BADINI C, UBERTALLI G, PUPPO D, et al. High temperature behavior of a Ti-6Al-4V/TiCP composite processed by BE-CIP-HIP method[J]. J. Mater. Sci., 2000,35:3903-3912. doi: 10.1023/A:1004893700762
    [7] GORETZKI H. Neutron diffraction studies on titanium-carbon and zirconium-carbon alloys[J]. Phys. Stat. Sol., 1968,20:K141-K143.
    [8] LU W, SHI Y, LEI Y, et al. Effect of electron beam welding on the microstructures and mechanical properties of thick TC4-DT alloy[J]. Mater. Des., 2012,34:509-515. doi: 10.1016/j.matdes.2011.09.004
    [9] YAN M, QIAN M, KONG C, et al. Impackts of trace carbon on the microstructure of as-sintered biomedical Ti-15Mo alloy and reassessment of the maximum carbon limit[J]. Acta Biomater., 2014,10:1014-1023. doi: 10.1016/j.actbio.2013.10.034
    [10] LI Y G, BLENKINSOP P A, LORETTO M H, et al. Effect of carbon and oxygen on microstructure and mechanical properties of Ti-25V-15Cr-2Al (wt. %) alloys[J]. Acta Mater., 1999,47:2889-2905. doi: 10.1016/S1359-6454(99)00173-1
    [11] NIU R, GE P, YANG G, et al. Determination of phase transformation point of TC21 titanium alloy[J]. Mater. Heat Teat., 2010,39:15-16.
    [12] LI M, ZHANG J, TANG S. Determination of phase transition point of TC10 titanium alloy[J]. Ning. Eng. Tech., 2014,13:21-23.
    [13] GAO X X. Study of microstructure evolution of Ti60 titanium alloy during controlling of bimodal structure[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2018. (高雄雄. Ti60 钛合金双态组织调控过程中显微组织演变规律研究[D]. 西安: 西北工业大学,2018.

    GAO X X. Study of microstructure evolution of Ti60 titanium alloy during controlling of bimodal structure[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2018.
    [14] ZHENG Y, ZENG W, LI D, et al. High cycle fatigue behaviors at high temperatures of a Ti2AlNb-based alloy[J]. Adv. Eng. Mater., 2018,201801045:1-11.
    [15] RITCHIE R O. The conflicts between strength and toughness[J]. Nat. Mater., 2011,10:817-822. doi: 10.1038/nmat3115
  • 加载中
图(10) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  198
  • HTML全文浏览量:  20
  • PDF下载量:  23
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-27
  • 刊出日期:  2025-02-27

目录

    /

    返回文章
    返回