差示掃描量熱法測(cè)定鈦合金的相變溫度

張業(yè)勤 丁小明 黃利軍 張文強(qiáng)

摘? 要：采用差示掃描量熱法測(cè)定了四種不同鈦合金TC27、TA15、TC4、TB6的？茁相變溫度。四種不同鈦合金的測(cè)試曲線體現(xiàn)出類似的規(guī)律，TG線一直保持不變說(shuō)明升溫過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生氧化反應(yīng)，在500℃前由于釋放殘余應(yīng)力呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，而在后向吸熱方向偏移，這個(gè)過(guò)程發(fā)生了相變。通過(guò)對(duì)DSC曲線求一階導(dǎo)數(shù)，其峰值即為？茁相變溫度。通過(guò)對(duì)比四種不同鈦合金差示掃描量熱法和金相法的測(cè)試結(jié)果，兩者相當(dāng)接近，因此差示掃描量熱法也是一種有效的測(cè)試鈦合金？茁相變溫度的方法。

關(guān)鍵詞：差示掃描量熱法;鈦合金;？茁相變溫度;金相法

Abstract： The phase transition temperatures of four different titanium alloys TC27， TA15， TC4 and TB6 were measured by differential scanning calorimetry （DSC）. The test curves of four different titanium alloys show a similar rule. The TG line remains constant all the time， which means that no oxidation reaction occurs during the heating process. Due to the exothermic phenomenon due to the release of residual stress before 500 ℃， it shifts backward to the endothermic direction. This process has undergone a phase transition. By calculating the first derivative of the DSC curve， the peak value is the phase transition temperature. By comparing the test results of differential scanning calorimetry and metallographic method of four different titanium alloys， the two methods are quite similar， so differential scanning calorimetry is also an effective method to measure the phase transformation temperature of titanium alloys.

鈦合金相變溫度是指在平衡狀態(tài)下α相剛好完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟臏囟萚1]。精確測(cè)定鈦合金的相變溫度對(duì)鈦及鈦合金加工和熱處理具有非常重要的意義，是制定最佳的材料熱加工變形參數(shù)和熱處理規(guī)范的依據(jù)[2]。差示掃描量熱法[3，4]可以記錄加熱或冷卻過(guò)程中熱流的變化，通過(guò)熱流變化分析出鈦合金的相變溫度。它是一種有效測(cè)試鈦合金相變溫度的方法[5]，具有快速、高效、易于操作等特點(diǎn)。常規(guī)的DSC一般最高使用溫度在700℃左右，而近些年高靈敏度高溫DSC的發(fā)展及應(yīng)用使得高溫測(cè)試鈦合金相變溫度成為可能，并使其測(cè)得的準(zhǔn)確性得到大幅提高。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的儀器為METTLER公司的TGA/DSC3/1600LF至尊型同步熱分析儀，可使用溫度范圍為：室溫～1600℃。實(shí)驗(yàn)所用的樣品是分別從四種不同鈦合金TC27、TA15、TC4、TB6棒材上切取φ6mm×1～2mm的小圓柱。樣品編號(hào)及相變溫度如表1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用容積為150？滋L的鉑金坩堝，升溫速率20℃/min，高純Ar氣保護(hù)50mL/min，實(shí)驗(yàn)溫度為30～1200℃。利用同步熱分析儀得到四種不同鈦合金在升溫過(guò)程的TGA/DSC曲線，通過(guò)曲線分析出四種不同鈦合金的相變溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 TC27鈦合金

TC27鈦合金[6]名義成分為Ti-5Al-4Mo-6V-2Nb-1Fe，是一種近β鈦合金。圖1為TC27鈦合金的TGA/DSC測(cè)試曲線。圖譜均分為兩部分，曲線橫坐標(biāo)為溫度（℃），其中上半部分的實(shí)曲線為TGA，縱坐標(biāo)為重量百分（%）;下半部分的實(shí)曲線為熱流曲線，縱坐標(biāo)為歸一化后的熱流值（W/g）;虛曲線為DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，縱坐標(biāo)W/g·℃。在測(cè)試范圍內(nèi)，TG重量基本沒(méi)有變化，因此樣品在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生氧化反應(yīng)。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，應(yīng)是由樣品釋放殘余應(yīng)力引起的;而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現(xiàn)吸熱峰，約在900℃左右結(jié)束，這是由于相變是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。參考標(biāo)準(zhǔn)HB 6623.1-92[7]將DTA曲線對(duì)溫度的一階倒數(shù)的峰值定義為鈦合金的相變溫度。圖1也給出了DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，曲線上有明顯的峰，峰值為869.24℃，可推斷TC27鈦合金的相變溫度為869.24℃。

2.2 TA15鈦合金

TA15鈦合金[8]名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V[9]， 是一種近α鈦合金。圖2為TA15鈦合金的TGA/DSC測(cè)試曲線。同樣，在測(cè)試范圍內(nèi)TG重量基本沒(méi)有變化，因此樣品在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生氧化反應(yīng)。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，應(yīng)也是由樣品釋放殘余應(yīng)力引起的;而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現(xiàn)吸熱峰，約在1020℃左右結(jié)束。圖2也給出了DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，曲線上有明顯的峰，峰值為992.87℃，同理可推斷TA15鈦合金的相變溫度為992.87℃。

2.3 TC4鈦合金

TC4鈦合金名義成分為Ti-6Al-4V，是最為常用的α+β鈦合金之一。圖3為TC4鈦合金的TGA/DSC測(cè)試曲線。同樣，在測(cè)試范圍內(nèi)TG重量基本沒(méi)有變化，因此樣品在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生氧化反應(yīng)。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，應(yīng)也是由樣品釋放殘余應(yīng)力引起的;而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現(xiàn)吸熱峰，約在1020℃左右結(jié)束。圖3也給出了DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，曲線上有明顯的峰，峰值為977.60℃，同理可推斷TC4鈦合金的相變溫度為977.60℃。

2.4 TB6鈦合金

TB6鈦合金[10]成分為Ti-10V-2Fe-3Al，是一種近β鈦合金。圖3為TB6鈦合金的TGA/DSC測(cè)試曲線。同樣，在測(cè)試范圍內(nèi)TG重量基本沒(méi)有變化，因此樣品在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生氧化反應(yīng)。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，應(yīng)也是由樣品釋放殘余應(yīng)力引起的;而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現(xiàn)吸熱峰，約在850℃左右結(jié)束。圖3也給出了DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，曲線上有明顯的峰，峰值為804.29℃，同理可推斷TB6鈦合金的相變溫度為804.29℃。

3 討論

由于近些年DSC可使用溫度的范圍進(jìn)一步向高溫?cái)U(kuò)展，使得一些相變溫度很高的鈦合金如TA15、TC4鈦合金，也可以通過(guò)差示掃描量法來(lái)測(cè)得。同時(shí)也因?yàn)镈SC測(cè)試精度的逐步提高、以及眾多研究者對(duì)此法經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)于像TC27比較微弱的鈦合金的相變過(guò)程通過(guò)基線校準(zhǔn)也能分析出很好的測(cè)試結(jié)果。金相法是測(cè)試鈦合金相變溫度最為常用的方法，對(duì)四種不同鈦合金相變溫度采用金相法測(cè)得結(jié)果如表2所示。通過(guò)對(duì)比差示掃描量法和金相法的測(cè)試結(jié)果，可以看出兩種測(cè)試方法的結(jié)果相當(dāng)接近，說(shuō)明差示掃描量熱法也是一種有效的測(cè)試鈦合金相變溫度的方法，而且比金相法操作簡(jiǎn)便、快速高效，可以在未知相變溫度區(qū)間測(cè)定新的合金相變溫度時(shí)體現(xiàn)出絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

采用差示掃描量熱法測(cè)定四種不同鈦合金的相變溫度，其測(cè)試曲線體現(xiàn)出類似的規(guī)律，參考標(biāo)準(zhǔn)HB 6623.1-92將DTA曲線對(duì)溫度的一階倒數(shù)的峰值定義為鈦合金的相變溫度，因此對(duì)DSC曲線求一階導(dǎo)數(shù)，峰值位置即為相變溫度。由于目前金相法是鈦合金中最為常用的方法，而通過(guò)差示掃描量熱法和金相法測(cè)試結(jié)果，可知兩者的結(jié)果相當(dāng)接近，說(shuō)明差示掃描量熱法也是一種有效的測(cè)試鈦合金相變溫度的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鶴，邵輝，張國(guó)君.TA9鈦合金相變點(diǎn)的測(cè)定[J].工程技術(shù)，2017，31：13335-136.

[2]田飛，曾衛(wèi)東，馬雄，等.物理分析法與金相法測(cè)定BT25鈦合金相變點(diǎn)[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32（5）：1-4.

[3]王志輝，夏長(zhǎng)清，李學(xué)雄，等.Ti62421S鈦合金Tα+β/β相變溫度的測(cè)定與分析[J].稀有金屬，2010，34（5）：663-667.

[4]李玉濤，耿林，徐斌，等.TC11鈦合金相變點(diǎn)的測(cè)定與分析[J].稀有金屬，2006，30（2）：231-233.

[5]陳紹楷，田戈緯，常璐，等.鈦合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定的金相法與差熱分析法對(duì)比研究[J].稀有金屬材料與工程，2009，38（11）：1916-1919.

[6]張業(yè)勤，沙愛學(xué)，黃利軍，等.一種新型高強(qiáng)高韌TC27鈦合金的高溫變形行為研究[J].科技導(dǎo)報(bào)，2014，32（24）：25-29.

[7]鈦合金β轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試方法-差熱分析法.HB6623.1-92[S].北京，1992.

[8]冀宣名，向嵩.TAl5鈦合金α→β相變溫度的測(cè)定與分析[J].金屬材料，2015（2）：85-87.

[9]盧凱凱，周立鵬，段啟輝，等.熱處理工藝對(duì)TA15鈦合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2018，35（4）：36-39.

[10]王美姣，孟祥軍，廖志謙，等.Ti-1023合金的研究現(xiàn)狀[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2009，24（5）：66-68.