TC27鈦合金β轉變溫度的測定與分析

張業(yè)勤 顏孟奇 齊立春 黃利軍 李煥峰

(中國航發(fā)北京航空材料研究院,北京 100095)

TC27鈦合金[1]是北京航空材料研究院自主研制的新型高強高韌耐腐蝕近β型鈦合金，目前主要應用于航空航天領域，具有比強度高、斷裂韌度好和抗應力腐蝕能力強等一系列優(yōu)點。β轉變溫度為鈦及鈦合金平衡α相存在的最高溫度，是確定鈦合金鍛造及熱處理工藝參數(shù)的重要依據(jù)。TC27鈦合金通過在兩相區(qū)鍛造可獲得均勻細小的組織，并在β相變溫度點以上固溶和β相變溫度點下時效后可獲得良好的綜合性能。因此快速并準確地測定TC27鈦合金β轉變溫度至關重要。

測定β轉變溫度的方法主要有計算法、金相法、差熱法等。計算法是根據(jù)各化學元素對鈦合金相變點的影響來推算相變點的一種方法。鈦合金的相變溫度受合金元素的種類和含量影響很大，此外雜質(zhì)元素的存在對相變點也有較大影響。不同種類的合金元素對合金相變點的影響作用不同。因此采用計算法精確地測定出β轉變溫度有一定的難度，而且還要受到化學分析取樣分析周期和分析精度限制。采用金相法結果比較直觀，是鈦合金中最為常用的方法，但取樣及制樣相對繁瑣，淬火溫度間隔的選擇也至關重要，分析周期也相對較長，特別是在未知相變溫度區(qū)間測定新的合金相變溫度時工作量大嚴重影響工作進度。差熱分析法是一種快速便捷的測試鈦合金相變點的方法，尤其是近些年高靈敏度高溫DSC的發(fā)展使得高溫測試固態(tài)相變的可靠性進一步提高。早在1992年就發(fā)布了鈦合金β轉變溫度測定方法-差熱分析法，但因當時設備使用溫度的局限性和分析數(shù)據(jù)經(jīng)驗不足，大大影響了該方法的使用。同步熱分析將熱重分析TGA與差示掃描量熱分析DSC結合為一體，在同一次測量中利用同一樣品可同步得到熱重與差熱信息，可以得到更全面、更準確的樣品信息，可以方便快捷地判斷相變溫度等。

通過計算法、金相法、差示掃描量熱法3種不同的方法對TC27鈦合金β轉變溫度進行了測定，為TC27鈦合金的熱加工工藝研究提供了依據(jù)，也為鈦合金β轉變溫度的測定積累經(jīng)驗。

1 實驗

1.1 實驗材料

本實驗所用TC27鈦合金合金棒材，名義成分為Ti-5Al-4Mo-6V-2Nb-1Fe，原始組織為等軸組織，顯微組織如圖1所示。

圖1 TC27鈦合金合金棒材組織

1.2 實驗方法

1.2.1計算法[2]

計算法是根據(jù)各元素對鈦合金β轉變溫度的影響來推算相變點的一種方法。根據(jù)不同種類的合金元素對合金相變點的影響作用，按照推算公式：Tβ=885℃+∑各元素含量×該元素對相變點的影響(885℃是純鈦的相變點)推算出TC27鈦合金β轉變溫度。

1.2.2金相法[3]

在加熱過程中，隨著溫度的升高，鈦合金中α相的含量越來越少，β相的含量越來越多。達到某一臨界溫度后，鈦合金將全部轉變?yōu)棣孪嘟M織。在該臨界溫度下保持一定時間后快速淬火[4]，可以得到?jīng)]有α相的針狀馬氏體或亞穩(wěn)定β相組織。通過觀察淬火試樣的顯微組織[5]，就可以判斷出鈦合金全部轉變?yōu)棣孪嘟M織的最低溫度。

本實驗中選取淬火溫度范圍為860～890℃，每隔5℃選取一個試樣，一共選取7個試樣，試樣尺寸為φ5mm×10mm。試樣在電阻爐加熱保溫30min后水淬，取出試樣后進行粗磨、細磨和拋光，再用腐蝕液(HF∶HNO3∶H2O體積比為1∶2∶7)進行腐蝕，在光學顯微鏡下觀察組織變化。

1.2.3差示掃描量熱法[6]

差示掃描量熱法是通過測量發(fā)生轉變和反應的熱焓和溫度，用來快速且靈敏地鑒別和表征材料。該法樣品置備簡單，即使很少的樣品，也能進行測試和表征。同步熱分析儀通過選擇合適的爐體，安裝高性能傳感器，采用方便快捷的裝樣系統(tǒng)，并配以最恰當?shù)母郊瑫r測試TGA與DSC曲線，得到樣品在完全相同條件下的TGA和DSC結果，得到更全面、更準確的樣品信息，DSC的測試溫度可拓展至1600℃，得到更高溫度的DSC結果。

本實驗所用的儀器為METTLER公司的TGA/DSC3/1600LF至尊型同步熱分析儀，使用溫度范圍為：室溫～1600℃，溫度精度：0.3℃，天平分辨率：0.1μg，升溫速率：0.1～100℃/min，空白曲線重復性：±10μg。本次實驗測定使用容積為150μL的鉑金坩堝，升溫速率20℃/min，高純Ar氣保護50mL/min，實驗溫度為30～1200℃。實驗切取了3個樣品，尺寸為直徑φ6mm×1～2mm的圓片，3個樣品重量略有差別。

2 結果及討論

2.1 計算法結果

根據(jù)不同種類的合金元素對合金相變點的影響(見表1)，按照推算公式推算出TC27鈦合金棒材β轉變溫度為880.69℃。

表1 元素含量對鈦合金β轉變溫度的影響[7-9]

2.2 金相法結果

通過觀察TC27鈦合金不同淬火溫度的試樣在光學顯微鏡下的組織變化，可以看出TC27鈦合金在860℃淬火后還存在大量的球狀α相，在865℃淬火后球狀α相顯著減少但依然存在部分球狀α相，在870℃淬火后球狀α相基本消失，而達到875℃或更高的880℃時，淬火后為單一的β相。由此可推斷， TC27鈦合金的β轉變溫度在865～870℃，取平均值為867.5℃。

2.3 差示掃描量熱法結果

圖2為3個TC27鈦合金樣品的TGA/DSC曲線，以TG與DSC相互參考確定相變區(qū)間，并對DSC曲線求一階導數(shù)，以DSC曲線的一階導數(shù)的峰值作為鈦合金的β相變溫度。由圖2a可以看出，TG保持一條直線，樣品重量基本沒有變化，說明沒有發(fā)生氧化反應；而在850℃～900℃，DSC曲線向吸熱方向偏移，DSC的一階導數(shù)曲線出現(xiàn)明顯的峰，峰值溫度為868.38℃。因此可以推斷TC27鈦合金β相變溫度為867.35℃左右。同理，由圖2b可以推斷TC27鈦合金β相變溫度為867.40℃左右，由圖2c可以推斷TC27鈦合金β相變溫度為866.61℃左右。在3個樣品的測試過程中，曲線走勢一致，測試穩(wěn)定，重復性好，且不受樣品重量的影響,推斷出TC27鈦合金β相變溫度均為867℃左右。

圖2 TC27鈦合金的TGA/DSC曲線

2.4 討論

采用計算法推算TC27鈦合金β轉變溫度，由于元素含量對β轉變溫度的影響是一個元素含量范圍內(nèi)的計算值，且化學成分的測試還受取樣位置和分析精度的限制，因此計算值與測量值會有一定的偏差。采用金相法結果比較直觀金，是最為準確可靠的方法，但取樣及制樣相對繁瑣，淬火溫度間隔的選擇也至關重要。差示掃描量熱法雖然操作簡便、快速高效，但設備的精度、參數(shù)的選擇、基線的校準都是影響最后結果準確性的重要因素[10]。

3 結論

采用計算法推算出TC27鈦合金β轉變溫度為880℃，采用金相法測出TC27鈦合金β轉變溫度為867.5℃，采用差示掃描量熱法測出TC27鈦合金β相變溫度為867℃左右。計算法由于參考元素的影響和化學成分分析精度等原因都會造成誤差，金相法目前還是比較公認的方法，此次實驗中差示掃描量熱法得到的結果與金相法相當接近，且3個樣品的結果相同，重復性好，說明此法有效可行，確定TC27鈦合金β轉變溫度為867℃。但鑒于于前人差示掃描量熱法測量鈦合金的相變點結果各異，目前暫有爭議并需要進一步積累數(shù)據(jù)，本實驗參數(shù)可供參考。