钛合金硬度 失效分析现场直击——医用TC4ELI钛合金板材缺陷分析

TC4ELI钛合金

TC4ELI钛合金因其良好的生物相容性、低弹性模量、低密度、良好的耐腐蚀性、无毒、高屈服强度、长疲劳寿命、室温高塑性、易成形等优点，已成为医用外科植入物的理想材料。医用TC4ELI钛合金板主要用于颅骨修复和骨固定，对强度、疲劳寿命和塑性要求较高。

隔离

事故背景

在低倍镜下观察医用TC4ELI钛合金板，发现一个宽度约为5毫米的带状区域。当它的一部分被切除用于低放大率观察时，发现带状区域是亮带，如图1所示。

可见，在正常区域，除钒含量略高于标准值外，其他元素含量符合GB/T 3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分要求；亮区钛、铝、钒含量不在标准范围内，有明显的富钛、贫铝、贫钒情况，氧含量为标准范围上限。因此判断TC4ELI钛合金板材存在富钛偏析缺陷。

硬度试验

钛合金的偏析可分为硬偏析(偏析部分硬度高于正常区域，也称脆性偏析)和软偏析(偏析部分硬度低于正常区域，也称非脆性偏析)。测量了TC4ELI钛合金薄板亮区和正常区的显微硬度，测量结果分别为383HV和327HV。可见，亮区硬度明显高于正常区，亮区偏析类型为脆性偏析。

TC4ELI钛合金板材的亮带区是偏析缺陷，是母合金颗粒未完全合金化造成的，是富钛偏析，但不是常见的，因为富钛偏析区的硬度应低于正常区，而TC4ELI钛合金板材的偏析缺陷区(亮带区)的硬度高于正常区，符合间隙元素偏析的特点。Gap元素是指氧、碳、氮等元素。偏析缺陷区氧含量高的现象证实了这一结果。间隙元素的富集会提高钛合金的β相变温度、α相硬度和脆性。综上所述，TC4ELI钛合金板材中偏析缺陷的类型是富钛+间隙元素偏析。

偏析缺陷的产生主要与钛合金的冶炼工艺有关，偏析缺陷是在铸锭生产中形成的。目前，我国钛合金生产企业普遍采用三次真空熔炼自耗电极电弧炉熔炼法。电极制备过程中操作不当容易导致金属污染或形成难熔氧化物和氮化物。电流和电压选择不当，会导致熔化区热平衡的破坏和熔池深度的变化，从而导致海绵钛粒度不均匀和中间合金混合物分布不均匀，从而导致材料局部区域合金元素的富集和贫乏以及该区域相变点的偏离

TC4ELI钛合金板材存在富钛和间隙元素偏析的缺陷，这是由于钛合金铸锭生产过程中海绵钛粒度不均匀和中间合金混合物分布不均匀造成的。建议通过加强对原材料和混合料的控制，以及电极制备和熔炼过程中电压和电流的选择，减少或消除此类缺陷。