摘 要:某医用 TC４ELI钛合金板材在进行低倍检查时发现其存在贯穿的亮带缺陷,通过金相 检验、扫描电镜分析、能谱分析和硬度测试,对缺陷种类和形成原因进行了分析.结果表明:该缺陷 为富钛＋间隙元素偏析缺陷,是由钛合金铸锭生产过程中海绵钛粒度不均匀、中间合金混料分布不 均匀导致的;建议通过控制原料和熔炼工艺来减少或消除该缺陷.
关键词:医用 TC４ELI钛合金;亮带;偏析缺陷;间隙元素偏析
中图分类号:TG１４６．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８１２Ｇ０３
TC４ELI钛合金以其生物相容性良好、弹性模 量低、密度低、防腐性能好、无毒、屈服强度高、疲劳 寿命长、室温下塑性较大、易成形等优点而成为医用 外科植入物的理想材料[１Ｇ２].医用 TC４ELI钛合金 板材主要用于颅骨修复、接骨等方面,这对其强度、 疲 劳 寿 命、塑 性 等 有 更 高 的 要 求. 根 据 GB/T １３８１０－２０１７«外科植入物用钛及钛合金加工材»,在 植入物产品所用钛合金材料的低倍组织上若发现偏 析、金属或非金属夹杂物及其他目视可见的冶金缺 陷时,判该批产品不合格.偏析是钛合金材料微区 成分不均匀在组织上的显现.医用 TC４ELI板作为 α＋β型两相钛合金,如果其微区成分不均匀,将会 引起宏观及显微组织的异常,从而导致异常区域与 正常区域的硬度存在显著的差异性,该差异性会导 致钛合金材料整体性能不均匀,进而降低材料强度、 疲劳寿命和塑性,最终导致材料早期失效[３Ｇ１０].
某医用 TC４ELI钛合金板材在进行低倍观察时 发现一条宽度约５mm 的贯穿异常带状区域,截取 其中一部分进行低倍观察时发现该带状区域为亮 带,如图１所示.为准确判定缺陷类型,查明缺陷产 生的原因,笔者对其进行了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 金相检验
使用 Observer．AIM 型 ZEISS 金 相 显 微 镜 对 TC４ELI钛合金板材的亮带区和正常区进行金相检 验,由图２可见,亮带区为单相等轴α组织,呈现出 偏析类组织特征,而正常区为典型的 TC４ELI钛合 金α＋β两相区加工的组织,所有原始β晶界充分破 碎,由此可以确定亮带区为偏析缺陷.
１．２ 扫描电镜分析
使用JSMＧ６７００型冷场发射扫描电镜(SEM)分 别对 TC４ELI钛合金板材的亮带区和正常区进行形 貌分析.由图３可见,亮带区的单相等轴组织更清 晰,正常区呈现出α＋β两相区加工组织的特征,这 与金相检验的结果一致,进一步确定亮带区为偏析 缺陷.
１．３ 能谱分析
使用 扫 描 电 镜 附 带 的 能 谱 仪 (EDS)分 别 对 TC４ELI钛合金板材的亮带区和正常区进行微区成 分分析,分析结果如表１所示.可见正常区除钒含 量比标准值稍高之外,其他元素含量均符合 GB/T ３６２０．１－２０１６«钛及钛合金牌号和化学成分»的要 求;亮带区的钛、铝和钒含量均不在标准范围内,出 现了明显的富钛、贫铝及贫钒的情况,且氧元素的含 量为标准范围的上限值,由此判断该TC４ELI钛合金板材存在富钛型偏析缺陷.
１．４ 硬度测试
钛合金的偏析按偏析部位与正常区硬度的高、 低差别,可分为硬偏析(偏析部位硬度高于正常区硬 度,又称脆性偏析)与软偏析(偏析部位硬度低于正 常区硬度,又称非脆性偏析)两类.分别对 TC４ELI 钛合金板材的亮带区和正常区进行显微维氏硬度测 试,测得结果分别为３８３HV 和３２７HV.可见亮带 区的硬度明显比正常区的要高,亮带区的偏析类型 为脆性偏析[１１].
２ 分析与讨论
TC４ELI钛合金板材的亮带区为偏析缺陷,该 缺陷是由于中间合金颗粒没有完全合金化导致的, 是富钛型偏析,但又不是常见的富钛偏析,因为富钛 型 偏 析 区 域 的 硬 度 应 该 比 正 常 区 的 要 低[１２],而 TC４ELI钛合金板材的偏析缺陷区(亮带区)的硬度 比正常区的要高,这符合间隙元素偏析的特征.间隙元素特指氧、碳、氮等元素.偏析缺陷区氧元素含 量偏高的现象验证了这个结果.间隙元素的富集会 使钛合金的β相转变温度升高、α相硬度升高、材料 变脆.综上,TC４ELI钛合金板材偏析缺陷的类型 是富钛＋间隙元素偏析.
该偏析缺陷的成因主要与钛合金的熔炼工艺有 关,偏析缺陷在铸锭生产中就已形成.目前我国钛 合金生产企业普遍采用３次真空熔炼自耗电弧炉熔 炼法,电极制备过程中操作不当易引发金属污染或 形成难熔的氧化物和氮化物,而电流、电压选择不当 会引发熔炼过程中熔区无法实现热平衡,还会引起 熔池深度的变化,从而导致海绵钛粒度不均匀、中间 合金混料分布不均匀,这都会引起材料局部区域合 金元素的富集与贫乏,导致该区域的相变点偏离,而 在后续的热加工过程中,就逐渐演变为异常组织,形 成偏析缺陷[１２Ｇ１８].
３ 结论及建议
TC４ELI钛合金板材存在富钛＋间隙元素偏析 缺陷,该缺陷是由于钛合金铸锭生产过程中海绵钛 粒度不均匀、中间合金混料分布不均匀导致的.
建议通过加强对原料和混料的控制,以及电极 制备过程和熔炼过程中电压和电流的选择来减少或 消除此类缺陷.
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