1 引 言
钛及钛合金因具有优异的综合力学性能，在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业受到高度重视并得到广泛应用。钛合金按热处理后的组织特点，可粗分为α 、α+β、 β钛合金三类。α型钛合金不含或只含极少量β稳定元素，退火状态的组织为单相的α固溶体或α固溶体加微量的金属间化合物。α型钛合金具有优良的焊接性能，600℃以下有优良的热强性和抗氧化能力，不能进行热处理强化。
近年来，钛合金因其比强度高，使用温度高，抗应力腐蚀号，与复合材料的兼容性等诸多特性，在航空发动机及传动系统上应用的比例正在逐年提高。如苏-27飞机上各种钛合金零件的重量约占飞机结构重量的15%；美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构重量的比例分别高达24%和27%，而美国第四代战斗机F-22上钛合金的用量已达41%[1]。国内各机型在轴类、叶轮等关键部件及结构件上选用的钛合金也正在逐渐增加。
TA7钛合金，其名义成分为Ti-5Al-2.5Sn属于典型的中等强度的α型钛合金。该合金是前苏联1957年研制的BT5-1钛合金，我国于1965年仿制。该合金β稳定元素含量为零，中性元素Sn约为2.5%，主要靠Al固溶强化α相，α+β/β转变温度1040℃～1090℃，不能热处理强化，通常在退火状态下使用，在室温和高温下具有良好的断裂韧度。该合金具有很好的熔焊性能，适用惰性气体保护下的钨电极和金属电极熔焊工艺。该合金长期工作温度可达500℃，短时工作温度可达800℃，室温抗拉强度大于785MPa，主要用于制造航空发动机的环轧件、机匣壳体、壁板等零件。TA7合金的铝含量高，热加工性差，工艺塑性较低。
TA7钛合金棒材在入厂检验时，主要进行成分、低倍、性能的复检。某批材料在入厂进行低倍组织检验时，腐蚀后出现了许多的小凹坑，腐蚀凹坑的具体形貌见图1。
图1中钛合金低倍组织形貌上分布了大小不等的小凹坑，在以往其它类和批次的钛合金的低倍检验中是从未出现过此类现象，是第一次在TA7材料的检验中发现此类情况，是否影响零件最终质量无法判定。因此本文主要对TA7低倍组织腐蚀凹坑出现的原因进行分析和研究。
图1 TA7低倍组织腐蚀凹坑形貌照片
2 材料及试验方案
2.1 试验材料
试验采用与检测出低倍有腐蚀坑同一批的TA7棒材，切取不同的低倍检测试片。根据TA7原材料采购标准，其化学成分和力学性能的要求值及实测值见表1、表2。
从化学成分看，该材料的Al、Sn主要元素均在成分要求的中限，其它元素含量也均符合标准规定的要求。力学性能的实测值也均符合标准的规定要求。
表1 TA7 化学成分wt%
表2 TA7 力学性能
2.2 试验方案
钛合金低倍组织采用国标规定的溶液进行腐蚀，因此腐蚀溶液的浓度配比是一定的，即HF:HNO3：H2O=1:1:3。通过成分及组织形貌对腐蚀坑出现的原因进行分析。
根据腐蚀坑出现的情况，适当调整腐蚀时间，确定腐蚀时间与腐蚀坑出现的规律。试验初步确定的腐蚀时间参数分别为1min、5min、10min、15min。
腐蚀凹坑内的具体微观形貌需通过扫描电镜进行观察，并使用能谱分析仪测定凹坑内、外物质的成分含量，判定腐蚀坑内、外的成分差异。
3 试验结果
根据试验方案确定的腐蚀时间试验参数，分别将TA7试样放置在不同的腐蚀容器内，在规定时间内将低倍腐蚀试样取出，用酒精溶液对试样清理,进行低倍组织观察，得到的低倍组织形貌见图2。
从图2中看出，1min时腐蚀坑仅有个别的点，随着腐蚀时间的延长，腐蚀坑出现的越来越多。而在10min，15min两个时间下，其凹坑出现的数量较接近（见图c、图d），腐蚀坑底部较光滑，坑大小不均。
图a-1min 图b-5min
图c-10min 图d-15min
图2 不同腐蚀时间下的低倍组织
图3 腐蚀坑处扫描电镜形貌
采用电子显微镜对腐蚀坑处的形貌进行观察，得到的形貌如图3 所示，其中在电镜下观察到的凹坑形貌大部分如图3中b所示，腐蚀坑内平滑无其它杂物，只有少数微小凹坑如图3中a所示，腐蚀坑处有孔洞及残留的物质。对残留物进行能谱分析，得出其残留物的成分主要是含Ca的物质，同时对腐蚀坑外的钛合金基体部分进行能谱分析，其成分主要是Al、Sn等元素，见图4。
a) 腐蚀坑内的能谱分析 b) 腐蚀坑外基体的能谱分析
图4 TA7腐蚀坑内、外能谱分析
4 试验结果分析及结论
4.1 试验结果分析
根据试验结果，腐蚀坑的出现是由于某些易腐蚀相在强酸性溶液条件下被腐蚀的结果。从对腐蚀坑内部及外部能谱分析的结果看，该易腐蚀相的主要成分是含钙、钾等的物质。而TA7钛合金的主要化学成分不含钙、钾等元素。因此这些形成易腐蚀相的元素只能是从外部引入或在熔炼过程中未去除净。
钛合金属于高活性合金，20世纪50年代开始，美国矿业在Croll工艺基础上重点研究了冷坩埚重熔技术，基本满足活性金属的要求。随着科学技术的发展和生产的需要，出现了熔炼活性金属的新方法，如电子束、等离子弧炉、真空感应炉等。在国内目前应用最多的是电弧炉，其适应性强，但熔体质量偏低。随着设备的逐步更新，某些大型钛合金生产厂家逐步引进了电子束炉。钛合金在熔炼过程中易产生合金元素的辉发损失，在高温下钛与N、H、O等间隙元素的亲和力很强，而这些元素的侵入将导致钛合金熔体的污染，而高的真空度会避免气氛中残留的O2、N2、H2对合金的污染，另一方面有利于去除合金中的挥发性杂质元素如Cl、K、Ca等[2]。
该腐蚀凹坑主要是由于TA7棒材在熔炼过程中挥发性杂质如Cl、K、Ca等未完全去除，溶解入棒材基体组织中，形成了易腐蚀相。在强酸性腐蚀环境下，腐蚀形成凹坑。因此，在钛合金熔炼过程中应严格控制熔炼过程。提高我国有色金属的熔炼水平，缩小与国外同类产品熔炼工艺的差距。
4.2 试验结论
1）凹坑随腐蚀时间的延长，凹坑出现的数量逐渐增多；
2）凹坑内部残留物经能谱分析为K、Ca等元素，主要是在熔炼过程中杂质未完全去除导致的残留物；
3）不腐蚀情况下棒材的宏观力学性能不受影响，但该材料制备零件后在工作环境下一旦受到腐蚀，将会对零件的使用产生较大影响。
参考文献：
[1] 赵树萍，等。钛合金在航空航天领域中的应用[J]。钛工业进展，2002（6）：18-21。
[2] 程荆卫 钛合金熔炼技术及理论研究现状。特种铸造及有色合金，2001（2）：70-71。
