简介概要

TC11钛合金相变点的测定与分析

来源期刊：稀有金属2006年第2期

论文作者：李玉涛王桂松李爱滨耿林徐斌

关键词：TC11钛合金; 相变点; 连续升温金相法;

摘要：采用计算法、差示扫描量热法和连续升温金相法3种手段计算和测定了TC11两相钛合金(α+β)/β相变点.计算法由于各元素及杂质元素含量对相变点的影响值是在一个含量范围内的计算值,因此计算的相变点与实测值是接近的;差示扫描量热法由于钛合金和坩埚的化学反应,产生相变滞后现象,导致所测相变温度过高;而连续升温金相法由于淬火温度间隔选择较小,测量的准确性较高,因此更能准确测量TC11钛合金相变温度.通过连续升温金相法,观察不同淬火温度的试样在光学显微镜下的显微组织变化,发现升温过程中初生α相完全消失的温度,从而确定了TC11钛合金的相变点为1035℃.并分析了不同钛合金之间相变点差异的原因.

稀有金属 2006,(02),231-234 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.02.024

TC11钛合金相变点的测定与分析

耿林徐斌李爱滨王桂松

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001,黑龙江哈尔滨150001,黑龙江哈尔滨150001,黑龙江哈尔滨150001,黑龙江哈尔滨150001

摘要：

采用计算法、差示扫描量热法和连续升温金相法3种手段计算和测定了TC1l两相钛合金 (α+β) /β相变点。计算法由于各元素及杂质元素含量对相变点的影响值是在一个含量范围内的计算值, 因此计算的相变点与实测值是接近的;差示扫描量热法由于钛合金和坩埚的化学反应, 产生相变滞后现象, 导致所测相变温度过高;而连续升温金相法由于淬火温度间隔选择较小, 测量的准确性较高, 因此更能准确测量TC11钛合金相变温度。通过连续升温金相法, 观察不同淬火温度的试样在光学显微镜下的显微组织变化, 发现升温过程中初生α相完全消失的温度, 从而确定了TC11钛合金的相变点为1035℃。并分析了不同钛合金之间相变点差异的原因。

关键词：

TC11钛合金;相变点;连续升温金相法;

中图分类号： TG115

作者简介：耿林 (E-mail:genglin@hit.edu.cn) ;

收稿日期：2005-11-06

基金：国家重大基础研究“973”项目资助 (51319);

Measurement and Analysis of Phase Transformation Temperature of TC1l Titanium Alloy

Abstract：

Three methods including the calculation method, differential scanning calorimetry and metallographic techniques were employed to calculate and measure the phase transformation temperature of TC11 titanium alloy. The comparison between the three methods indicates that the theory value obtained by the calculation method approaches the true value, because this method requires that the content of each element in the TC11 alloy is in a certain range. The value obtained by the differential scanning calorimetry method is a little exorbitant, because continuous heating delays the phase transformation. The phase transformation temperature can be measured accurately by the metallographic technique if more quenching temperatures are chosen. In the metallographic method, the microstructure of the samples quenched from different temperatures was observed and the temperature at which the primary α phase disappear was determined, so that the α+β/β transformation temperature of the TC11 titanium alloy is determined to be 1035 ℃. The reason of the difference of phase transformation temperature between different titanium alloys was discussed.

Keyword：

TC1l titanium alloy; phase transformation temperature; metallographic method of continuous heating;

Received： 2005-11-06

TC11合金是α+β型两相钛合金, 是一种重要的航空和宇航材料, 该合金具有比强度高, 中温性能好, 耐腐蚀性能好, 重量轻等优点, 已用于航空发动机的压气机盘、叶片和鼓筒等零件以及飞机结构件上 ^[1,2,3,4,5] 。

相变温度对钛及钛合金加工和热处理非常重要, 是制定材料热处理工艺和选择热加工变形参数的依据, 也是考虑加热过程中被氧和氮污染程度的重要参考。生产和试验用钛合金铸锭要求必须提供准确的相变温度或相变温度范围。由于原材料化学成分的不同和加工历史的差别, 每一批钛材之间的 (α+β) /β相变点是有差异的。在热处理实践中发现, 对一些可热处理强化的 (α+β) /β合金, 由于相变点的上下波动, 在指定的时间和温度下热处理时, 往往在不同批次钛材上有不同的显微组织和力学性能。因此为了控制热处理后的微观组织和力学性能, 需准确知道用料的相变点, 以便控制热处理温度 ^[6,7] 。本文通过不同的方法对TC11钛合金的相变点进行了测定, 为TC11钛合金的进一步研究提供了依据。

1 实验

本试验材料是由抚顺铝厂提供的TC11钛合金棒材, 采用X射线荧光光谱仪测定TC11钛合金的化学成分, 如表1所示。

图1为原始态TC11钛合金的金相照片。由图可见, 原始组织为相互间隔的片状的α相和β相, 是典型的魏氏组织。其中白色的则为α相, 而深颜色的为β相。

采用STA449C-同步热分析仪测量钛及钛合金相变温度, 其参比样品为粉末状Al₂O₃, 升温速度为10 ℃·min^-1; 保护氩气流量为45 ml·min^-1。测试前, 应先在两个样品坩埚内放人等量Al₂O₃粉末, 测定仪器基线符合规定后, 即可开始测定正式样品DSC曲线。

采用连续升温金相法测定相变温度。试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm; 在加热试样时为了保证热透, 保温时间为60 min。淬火温度选择范围为990~1040 ℃, 淬火温度间隔为10 ℃, 然后将试样水淬。其中间转移速度不超过2 s。将淬火后的试样制成金相观察试样, 在放大倍数为500倍的

表1 TC11合金的化学成分Table 1 Chemical composition of TC11 alloy

元素	Ti	Al	Mo	Zr	Si	Fe	其他
含量 (%, 质量分数)	87.97	6.169	3.409	1.773	0.285	0.054	0.338

图1 TC11供货态的原始组织Fig.1 Microstructure of original TC11 alloy

光学显微镜观察试样组织变化。

2 结果与讨论

2.1 计算法测定相变温度

计算法是根据各元素对钛相变温度的影响来推算相变点的一种方法 ^[8] , 它可以为金相法测量相变点提供淬火温度应该选择的范围。

一般而言, 钛合金的相变温度取决于合金化元素的类型和含量, 同时杂质含量对相变温度也有重要影响。 TC11主要成分为Ti, Al, Mo和Zr。其中, Al是α稳定元素, 在α中有较大的固溶度, 可明显提高钛合金相变温度。 Mo是同晶型β稳定元素, 与β无限溶解, 但与α有限溶解, 可明显降低钛合金相变温度。 Zr是中性元素, 在α和β中能无限溶解, 对相变点的影响较小。此外, Fe和Si是共析型β稳定元素, 在α和β中都是有限溶解, 且在β中溶解度比较大, 降低相变点。钛合金中各元素对相变温度影响见表2 ^[9] 。

根据各元素对钛相变温度的影响推算出相变点的公式为:

T_{α+β/β相变点}=885 ℃+∑各元素含量×该元素对相变点的影响 (1)

式中885 ℃为计算时纯钛的相变点。

根据X射线荧光光谱仪测定TC11钛合金的化学成分 (见表1) , TC11钛合相变点温度计算如下:

T_α+β/β=885+∑各元素含量×该元素对相变点的影响=885+2.0%×14.5/1.0%+ (6.169-2) %×23.0/1.0%-3.409%×5.5/1.0%-1.773%×2.0/1.0%-0.285%×1.0/0.1%-0.054%×16.5/1.0%=993.85 ℃

从表1可知, X射线荧光光谱仪无法测出轻量元素 (C, N, O和H) 的含量, 所以上式计算忽略了这些轻量元素对相变温度的影响, 并引起了不容忽视的误差。为了充分考虑杂质含量对相变温度的影响, 参考历来生产钛及钛合金锭的平均杂质含量 ^[9] 及材料厂家提供的数据, 首先初步确定4种杂质元素含量的比例, 再根据本试验测得的杂质元素含量总量, 推算出TC11钛合金中杂质元素的含量 (见表3) , 计算出TC11钛合金 (α+β) /β相变温度为:

T_α+β/β=993.85+∑各杂质元素含量×该元素对相变点的影响=993.85+0.0625%×2.0/0.01%+0.025%×5.5/0.01%+0.2%×2.0/0.01%-0.05%×5.5/0.01%=1032.6 ℃

所以采用计算法推算出的TC11钛合金相变点在1032 ℃左右。

2.2 差示扫描量热法测定相变温度

差示扫描量热法测定钛及钛合金相变温度是借助于同步热分析仪将待测试样与另一参比试样在完全相同的条件下加热 (或冷却) , 根据两者温差与温度或时间的变化关系 (DSC曲线) , 对物质

表2 元素含量对钛相变点的影响Table 2Influence of elements content on phase transformation temperature

元素类别	名称	含量/ (%, 质量分数)	对α+β/β相变点的影响
元素类别	名称	含量/ (%, 质量分数)	差值	累积值
α稳定元素	Al	0~2.0 2.0~7.0	+14.5 ℃/1.0% +23.0 ℃/1.0%	+29.0 ℃ +143.0 ℃
	N O	0~0.5 0~1.0	+5.5 ℃/0.01% +2.0 ℃/0.01%
	C	0~0.15	+2.0 ℃/0.01%	+30.0 ℃
β稳定元素	H	0~0.50	-5.5 ℃/0.01%
	Mo	0~5.0	-5.5 ℃/1.0%	-27.5 ℃
	Fe	0~15.0	-16.5 ℃/1.0%
	Si	0~0.45	-1.0 ℃/0.1%	-4.5 ℃
中性元素	Zr	0~10.0	-2.0 ℃/1.0%

表3 TC11合金中杂质元素含量Table 3 Content of impurity elements in TC11 alloy

杂质元素	C	N	O	H
含量/ (%, 质量分数)	0.0625	0.025	0.2	0.05

图2 TC11合金DSC曲线Fig.2 DSC curve of TC11 alloy

状态进行判定。

图2为差示扫描量热法测得TC11钛合金相变点的DSC曲线。对于α+β型及亚稳定β型钛合金, (α+β) →β转变是一个持续过程, 在DSC曲线上, 相变完成表现为基线迁移 ^[10] ; 同时, 由于钛有极高的化学活性, 在高温下与氧、氮、坩埚 (Al₂O₃) 等物质反应 ^[11] , 在DSC曲线上产生不同的峰值, 从而使分析判定难度加大。

对于TC11钛合金而言, α-Ti→β-Ti转变是一个吸热反应。当温度在1060 ℃时, 峰值明显。表明相变温度在1060 ℃左右。由于TC11钛合金与坩埚 (Al₂O₃) 化学反应放热, 并且测量过程中不断加热, 导致热滞后现象产生, 推迟了α相向β相转变, 使差示扫描量热法测得的相变温度过高。

2.3 连续升温金相法测定相变温度

由于钛合金和坩埚化学反应明显, 使差示扫描量热法测得的相变温度过高, 干扰了TC11相变点的准确性。因此, 为了得到更精确的相变点, 本研究采用了连续升温金相法测定相变点。

连续升温金相法是测定相变温度的基本方法, 以其简单实用而被广泛采用, 但在TC11钛合金中的应用尚未见过报道。首先选择淬火温度范围, 确定淬火温度间隔为10 ℃。加热保温然后水淬。最后观察不同淬火温度的试样在光学显微镜下的组织变化。将仍残留初生α相的淬火温度和与该温度最邻近、初生α相消失的温度之间的平均温度确定为相变温度。在本研究中, 将计算法推算出的TC11钛合金相变温度的范围作为淬火温度选择范围, 即为990~1040 ℃。

图3为采用金相法测定相变点温度的显微组织金相照片。从图中可以明显看出淬火温度在990~1030 ℃范围时, 钛合金仍然是魏氏α+β组织, 只是在1030 ℃时组织明显粗大。而β相中的α′十分细小, 无法在光学显微镜下观察到 ^[12] 。在淬火

图3 金相法测定相变点的金相照片 (a) 990 ℃; (b) 1000 ℃; (c) 1010 ℃; (d) 1020 ℃; (e) 1030 ℃; (f) 1040 ℃Fig.3 OM pictures of metallographic method to measure transformation temperature

温度为1030 ℃时, 初生α相仍然存在; 当淬火温度达到1040 ℃时, 在试样中已看不到初生α相, 观察到的全部是针状的马氏体, 表明淬火温度已经达到了相变点温度。因此判定TC11钛合金的相变点在1030~1040 ℃之间, 其相变点的平均值为1035 ℃。

2.4 讨论

采用计算法推算TC11钛合金的相变温度, 由于各元素及杂质元素含量对相变点的影响值是在一个含量范围内的计算值, 因此计算的相变点与实测值是接近的。采用连续升温金相法测量TC11钛合金的相变温度时, 由于淬火温度间隔选择较小, 所以测量的准确性较高。通过对比计算法和连续升温金相法的结果, 可以看出二者之间非常接近, 因而得到的TC11钛合金的相变温度是比较准确的。

对于不同型号的钛合金, 由于其化学成分不同, 因而相变点也不相同。例如, TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr) 合金与TC4 (Ti-6Al-4V) 合金相比, 虽然二者的相变点有可能在比较接近的范围内, 但是两种合金的组成元素不同, 因此相变点也不可能相同。而对于同一型号的钛合金, 由于加工历史的差别, 以及杂质元素的含量不同, 不同批次的合金的相变点也是有差异的。因此, 建议对每一批钛合金都要测定其相变点, 并据此制定材料热处理工艺和选择热加工变形参数。

3 结论

1. 采用计算法推算出了TC11钛合金相变温度在1032 ℃左右, 由于各元素及杂质元素含量对相变点的影响值是在一个含量范围内的计算值, 因此计算的相变点与实测值是接近的。

2. 采用差示扫描量热法测出TC11钛合金相变点为1060 ℃。但是由于钛合金和坩埚化学反应明显, 产生相变滞后现象, 导致所测相变温度过高。

3. 采用连续升温金相法测定的TC11钛合金相变点为1035 ℃。由于淬火温度间隔选择较小, 所以测量的准确性较高。

4. 通过对比3种方法得到的结果, 确定了TC11钛合金的相变点为1035 ℃。