TA15鈦合金α→β相變溫度的測(cè)定與分析*

冀宣名，向 嵩

(1.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025;2.貴州省材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

鈦及鈦合金由于密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異特性，不僅在航空、航天等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，而且在海洋工程、石油化工等領(lǐng)域被用作結(jié)構(gòu)材料、耐熱材料、耐蝕材料得到極大關(guān)注［1］。其中，高溫鈦合金主要作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面應(yīng)用。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高的要求下，高溫鈦合金一直是鈦合金領(lǐng)域中相當(dāng)活躍的一個(gè)分支，受到各國(guó)的高度重視［2，3］。TA15合金是我國(guó)90年代根據(jù)發(fā)展需要從俄羅斯引進(jìn)的一種近α型鈦合金，其通過(guò)α穩(wěn)定元素Al進(jìn)行固溶強(qiáng)化，加入中性元素Zr和β溫度元素Mo和V，在保證強(qiáng)度的前提下改善合金塑性。該合金屬于中等強(qiáng)度鈦合金，具有良好的塑性，同時(shí)具有良好的高溫抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性，其主要用于500℃以下飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)用件［4］。

鈦合金的相變溫度通常定義為在連續(xù)加熱過(guò)程中，鈦及鈦合金組織中α相正好消失的溫度［5］。材料的組織決定性能，而組織由成分和加工工藝以及熱處理工藝決定，在鈦合金生產(chǎn)過(guò)程中，相變點(diǎn)是及其重要的工藝參數(shù)，可以說(shuō)是鈦合金生產(chǎn)的基礎(chǔ)，為了制定合理準(zhǔn)確的生產(chǎn)工藝，必須對(duì)相變點(diǎn)進(jìn)行精確的測(cè)定。同時(shí)受合金成分等的影響，每一批次的鈦合金相變點(diǎn)都有所不同。本文主要通過(guò)計(jì)算法、熱膨脹法和連續(xù)升溫金相法測(cè)定TA15合金相變溫度，同時(shí)對(duì)三種方法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析比較，確定最優(yōu)相變溫度。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為TA15鈦合金，名義成分為Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，用 Q4-130 TASMAN 全譜直讀火花光譜儀測(cè)定并參考?xì)v來(lái)生產(chǎn)鈦及鈦合金錠的平均雜質(zhì)含量及測(cè)得其它微量元素含量，確定合金成分如表1。

表1 TA15合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

根據(jù)各合金元素對(duì)相變溫度的影響計(jì)算合金相變溫度。用熱膨脹儀測(cè)定相變溫度時(shí)，首先通入保護(hù)氣體，然后以3℃/min的速度升溫到1 200℃，保溫40 min，然后冷卻。儀器自動(dòng)采集線膨脹率—溫度曲線。在連續(xù)升溫金相法測(cè)定相變溫度過(guò)程中，采用箱式電阻爐對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，以計(jì)算得到的相變溫度為參考，設(shè)定熱處理溫度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程為保證試樣反應(yīng)完全，對(duì)試樣保溫40 min，然后快速取出水淬，待試樣完全冷卻后取出，去除試樣表面氧化層，然后制成金相試樣，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察其組織變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算法測(cè)定相變溫度

合金元素的種類和數(shù)量對(duì)鈦合金的相變溫度有較大的影響，同時(shí)，雜質(zhì)元素的影響也不容忽視［6，7］。計(jì)算法就是根據(jù)各元素對(duì)鈦相變溫度的影響來(lái)推算相變點(diǎn)的一種方法。

根據(jù)各種元素與鈦形成相圖的特點(diǎn)，以及對(duì)鈦同類異形轉(zhuǎn)變的影響，鈦合金中的元素可以分為:中性元素—對(duì)β轉(zhuǎn)變溫度影響不明顯;α穩(wěn)定元素—能提高β轉(zhuǎn)變溫度;β穩(wěn)定元素—降低β轉(zhuǎn)變溫度。在計(jì)算過(guò)程中，要注意的是，一定得考慮雜質(zhì)元素對(duì)合金相變溫度的影響，對(duì)于雜質(zhì)含量已知的情況下，可以直接帶入公式，在無(wú)法測(cè)定的情況下，為了充分考慮雜質(zhì)含量對(duì)相變溫度的影響，可參考?xì)v來(lái)生產(chǎn)鈦及鈦合金錠的平均雜質(zhì)含量及測(cè)得其它微量元素含量［8］，推算出合金中雜質(zhì)元素的含量。

根據(jù)各合金元素對(duì)相變溫度的影響推算相變溫度的公式為:

T(α+β)/β=885℃ + ∑各元素含量 × 該元素對(duì)相變溫度的影響

其中:885℃是純鈦的相變溫度，表2給出了TA15各合金元素對(duì)相變溫度的影響，在不考慮雜質(zhì)元素影響下，由公式和數(shù)據(jù)得出本批合金的相變溫度為:

T(α+β)/β=885℃ + ∑各元素含量 × 該元素對(duì)相變溫度的影響

=885℃ +141.24℃ -9.625℃ -31.5℃ -2.24℃-0.24-0.84

=981.795℃

考慮雜質(zhì)元素的影響，計(jì)算合金相變溫度:

T(α+β)/β=981.795℃ + ∑各雜質(zhì)元素含量 × 該元素對(duì)相變溫度的影響

=982.875℃ +0.005 8% ×2.0/0.01%+0.005 8%×5.5/0.010.001 6%×5.5/0.01%+0.0185 6+2.0/0.01%

=989.2℃

表2 元素含量對(duì)鈦合金相變溫度的影響

2.2 熱膨脹法測(cè)定相變溫度

物質(zhì)的熱膨脹是基于構(gòu)成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨溫度變化而變化的一種現(xiàn)象，鈦合金同素異構(gòu)體之間密度有所區(qū)別，因此在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，體積會(huì)發(fā)生變化，其疊加到膨脹曲線上，破壞了膨脹曲線與溫度之間的線性關(guān)系，熱膨脹法就是根據(jù)此原理，測(cè)定試樣連續(xù)升溫過(guò)程中線膨脹值—溫度曲線，根據(jù)曲線的變化確定合金相變溫度［9，10］。

圖1 TA15合金熱膨脹曲線

圖1為TA15合金線膨脹值—溫度曲線，實(shí)線為連續(xù)升溫曲線，虛線為一階微分曲線。對(duì)于實(shí)驗(yàn)材料，相的轉(zhuǎn)變是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，在升溫曲線上，相變的表現(xiàn)為實(shí)線上出現(xiàn)拐點(diǎn)，但是，由于實(shí)線比較平穩(wěn)，從實(shí)線上不容易看出變化，因此，對(duì)其進(jìn)行一階微分(虛線)，虛線上面有明顯的拐點(diǎn)，一個(gè)拐點(diǎn)為相變開(kāi)始溫度，另一個(gè)為相變結(jié)束溫度。因此，用此方法測(cè)定TA15合金相變溫度為986.1℃。

2.3 連續(xù)升溫金相法測(cè)定相變溫度

連續(xù)升溫金相法是測(cè)定合金相變溫度最基本、最常用的方法。對(duì)合金進(jìn)行不同溫度的淬火處理，根據(jù)試樣在光學(xué)顯微鏡下組織中初生α相的變化來(lái)確定合金相變溫度［11］。本實(shí)驗(yàn)采用10-13 009箱式電阻爐，工作電壓為380 V，工作溫度范圍0～1 200℃。采用線切割方式從原材料中切取小圓柱作為連續(xù)升溫金相法試驗(yàn)試樣，根據(jù)計(jì)算法和熱膨脹法的結(jié)果，確定淬火溫度范圍，對(duì)試樣加熱、保溫然后快速淬火以保證保留該熱處理下組織，為保證效果，要求淬火間隔時(shí)間盡量短，然后制備金相試樣，在光學(xué)金相顯微鏡下觀察淬火試樣組織變化，從而根據(jù)試樣組織中初生α相含量變化來(lái)確定相變溫度。根據(jù)上文，試樣淬火溫度依次為 970℃、980℃、985℃、990℃、995℃、1 000℃。不同溫度淬火后試樣組織如圖2所示。

圖2 不同淬火溫度下的顯微組織圖

由圖可知，在970℃水淬時(shí)，組織中有大量的球狀初生α相存在，針狀馬氏體很少如圖2(a)所示，說(shuō)明合金在相變點(diǎn)以下;在980℃水淬時(shí)，初生α相減少，針狀馬氏體相有所增加如圖2(b)所示，此時(shí)，還在α+β兩相區(qū);當(dāng)溫度升高到985℃時(shí)，仍然存在初生α相，但含量明顯進(jìn)一步減少如圖2(c)，說(shuō)明該溫度不斷接近相變溫度;當(dāng)溫度達(dá)到990℃時(shí)，初生α相已經(jīng)幾乎完全消失如圖2(d);當(dāng)溫度達(dá)到995℃甚至更高的1 000℃時(shí)，初生α相已經(jīng)完全看不到如圖2(e)和2(f)，說(shuō)明此時(shí)溫度已經(jīng)在相變溫度以上。由此可以判斷，相變溫度在985℃ ～995℃之間，且更傾向于990℃附近，因此，取990℃為本批次合金相變溫度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

計(jì)算法推算TA15合金相變溫度是根據(jù)各合金元素以及雜質(zhì)對(duì)相變點(diǎn)的影響而進(jìn)行的，在計(jì)算之前，要對(duì)合金成分進(jìn)行多次測(cè)量以保證成分精確，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，同時(shí)，先通過(guò)計(jì)算法推算相變溫度，也可以為連續(xù)升溫金相法提供參考依據(jù)。熱膨脹法是一種物理分析方法，根據(jù)合金發(fā)生相變時(shí)體積隨溫度的變化來(lái)確定相變點(diǎn)。其操作簡(jiǎn)單、效率較高，具有使用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，但受實(shí)驗(yàn)條件影響較大，如升溫速度等的變化，都會(huì)對(duì)最終結(jié)果有一定的影響。連續(xù)升溫金相法是在溫度不斷升高的過(guò)程中，通過(guò)觀察不同淬火試樣組織中初生α相含量的變化來(lái)確定相變溫度，其可以直觀準(zhǔn)確的確定相變溫度，同時(shí)淬火溫度間隔越小精度越高，但是，需要對(duì)試樣進(jìn)行熱處理同時(shí)要制取金相試樣，周期一般較長(zhǎng)，操作麻煩，效率較低。

4 結(jié)論

1)根據(jù)各合金元素對(duì)相變溫度的影響，采用計(jì)算法圖算出TA15合金相變溫度為989.2℃，雜質(zhì)元素對(duì)合金相變溫度有一定的影響，在計(jì)算過(guò)程中不容忽視。

2)熱膨脹法測(cè)得合金相變溫度為986.1℃，但此方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求比較高，受升溫速度和保護(hù)氣氛等影響，可能存在一定誤差。

連續(xù)升溫金相法根據(jù)不同溫度下組織變化確定相變溫度，直觀且準(zhǔn)確度較高，但實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)。此方法測(cè)得本批次材料相變溫度范圍為985℃ ～995℃。

三種方法測(cè)定結(jié)果有一定誤差，但是都比較接近，通過(guò)三種方法的優(yōu)劣對(duì)比，最終確定本批次TA15合金相變溫度為990℃。

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