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参考文献

摘要：
1 实验▲
2 实验过程与结果分析▲
2.1 计算法
2.2 差示扫描热量法
2.3 连续升温金相法
2.4 分析与讨论
3 结论▲
图表▲

图1 Ti62421s钛合金棒材原始组织

表1 元素含量对钛合金相变点的影响

图2 Ti62421s钛合金DSC曲线

图3 Ti62421s钛合金TG曲线

图4 不同温度淬火的金相组织照片

Ti62421s钛合金T_(α+β/β)相变温度的测定与分析

王志辉夏长清李学雄王韦琪马鸿海

中南大学材料科学与工程学院

宝鸡钛业股份有限公司

摘要：

相变温度对钛及钛合金加工和热处理来说具有重要意义。分别采用计算法和DSC差示扫描热量法分别得出Ti62421 s钛合金的相变温度为1006和1002℃左右。然后根据前两种方法得出的温度确定连续金相法的温度选择范围,用该方法测定出Ti62421 s钛合金的T(α+β)/β相变温度在995¹005℃区间内。将几种方法的测量结果进行比较,确定该合金的相变温度为1000℃。

关键词：

Ti62421s;相变点;计算法;差热分析法;连续金相法;

中图分类号： TG146.23

作者简介：王志辉(1985-),男,湖南常德人,硕士研究生;研究方向:钛合金材料相关领域的研究;夏长清,通讯联系人,(E-mail:xia-gro@mail.csu.edu.cn);

收稿日期：2009-12-25

基金：国家总装备部预研基金项目(51312010311)资助;

Analysis and Determination on T_(α+β/β) Transformation Point of Ti62421s Titanium Alloy

Abstract：

The phase transformation temperature was very important to titanium and its alloys.The phase transformation temperature was obtained by calculation method and differential scanning calorimetry(DSC) with the value of 1006 and 1002 ℃,respectively.The temperature range of continuous metallographic method was chosen according to the temperature obtained,and T(α+β)/β phase transformation temperature was in the range of 995¹005 ℃.Compared the above methods,the phase transformation temperature was 1000 ℃.

Keyword：

Ti62421s;transformation point;calculation method;differential scanning calorimetry(DSC);metallographic method of continuous heating;

Received： 2009-12-25

钛及钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温、耐低温、非磁性、线胀系数小等许多优点,它们被广泛应用在航空、航天、舰船、发电、石油、化工和海洋工程等领域。按照钛合金的组织可将其分了5类: α钛合金、近α钛合金、 α+β钛合金、近β钛合金和β钛合金。而其中的近α钛合金的研究极为活跃、极为重要, 但发展极为艰苦。目前, 高温钛合金的应用温度已经达到600 ℃, 国际先进的高温钛合金主要有: 美国的Ti6242s和Ti1100, 英国的IMI834, 俄罗斯的BT28Y和BT36以及中国的Ti60的Ti600等合金 ^[1,2,3,4,5] 。

本文研究的Ti62421s钛合金, 其主要元素为Ti, Al, Zr, Sn, Mo和Nb。作为高温合金, 它必须具有良好的室温性能、高温强度、蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等的匹配, 材料的组织决定其性能, 而材料的组织是由其加工工艺 ^[6] 和热处理工艺 ^[7,8,9] 决定的。钛合金在β相变点附近进行热处理, 在β相变温度点以上进行热处理的钛合金可获得具有较高强度、良好蠕变性能、疲劳性能以及抗裂纹扩展能力, 而在β相变温度点以下进行热处理的钛合金可获得高强度、良好塑性和冲击韧性 ^[10] 。本文采用几种不同的方法测定Ti62421s钛合金相变温度, 且相变点对于加工及其热处理工艺的制定具有非常重要的指导意义。

1 实验

本实验所用Ti62421s钛合金棒材由宝鸡钛业股份有限公司提供, 详细成分略, 其原始组织金相照片见图1, 原始组织由片状的α相和晶界β相组成, 是典型的网篮状组织。其中白色的是α相, 其晶体结构为密排六方(hcp), 而α相晶间相即为为β相, 其晶体结构为体心立方(bcc)。

2 实验过程与结果分析

2.1 计算法

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 ^[11,12] 。根据各种元素与钛合金形成相图的特点, 及对钛的同类异形转变的影响, 加入钛合金中的元素可分为三类: 一类提高α□β转变温度的α稳定元素, 如: 铝、镓、锗、氧、碳等; 二类降低α□β转变温度的β温度元素, 如: 锰、铁、铬、硅、铜、钒、钼、铌、钽等; 三类, 对同素异形转变温度影响很小的中性元素, 如: 锆、铪、锡、铈、镧、镁等。其中, 不同元素对钛相变温度的温度的影响不同, 各元素对Ti(α+β)/β相变温度影响的具体值见表1。

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 ℃+Σ各元素含量×该元素对相变点的影响

图1 Ti62421s钛合金棒材原始组织

Fig.1 Microstructure of original bar of Ti62421s alloy

式中885 ℃为计算时纯钛的相变点。各元素含量对钛合金相变点的影响见表1。

根据该合金的化学成分可以计算出其相变点: T_{(α+β)/β相变点}=1006.75 ℃

计算法推算出了Ti62421s钛合金相变温度在1006.75 ℃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, 因此计算值与测量值十分符合 ^[13,14] 。

2.2 差示扫描热量法

DSC是在程序控制温度下, 测量输给试样和参比物的功率差与温度关系的一种技术。 DSC曲线是描述试样与参比物之间的温差(ΔT)随温度或时间的变化关系。在DSC实验中, 试样温度的变化是由于相转变或反应的吸热或放热效应引起的。一般说来, 相转变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应; 而结晶、氧化等反应产生放热效应。

本实验在用差示扫描热量法测相变点时所采用的仪器为德国NETZSCH公司的STA 449C, 其参比样品为粉末状Al₂O₃, 加热温度范围为0～1250 ℃, 保护气氛为N₂, 为了尽量减小热滞后的影响, 升温速度选为5 ℃·min^-1。差示扫描量热法(DSC)测得的Ti62421s钛合金的相变点的DSC曲线见图2。

表1 元素含量对钛合金相变点的影响

Table 1Effect of elements content on phase transformation temperature of titanium alloy

Element type	Element name	Elements	Effect of (α+β)/β phase transformation
Element type	Element name	Elements	Difference value	Cumulative value
Stabilizing element of solid α-solution	Al	0～2.0 2.0～7.0 7.0～11.0 11.0～20.0	+14.5 ℃/1.0% +23.0 ℃/1.0% +15.5 ℃/1.0% +10.0 ℃/1.0%	+29.0 ℃ 143.0 ℃ 205.0 ℃ 295.0 ℃
	N O	0～0.5 0～1.0	+5.5 ℃/0.01% +2.0 ℃/0.01%
	C	0～0.15 0.15～0.50	+2.0 ℃/0.01% +0.15 ℃/0.01%	+30.0 ℃
Stabilizing	H	0～0.50	-5.5 ℃/0.01%
element of solid β-solution	Mo	0～5.0 5.0～30.0	-5.5 ℃/1.0% -10.0 ℃/1.0%	-27.5 ℃
	Nb Fe	0～10.0 10.0～18.0	-8.5 ℃/1.0% -16.5 ℃/1.0%
	Si	0～0.45 0.45～1.0	-1.0 ℃/0.1% -3.5 ℃/0.1%	-4.5 ℃
Neutral elements	Zr	0～10.0	-2.0 ℃/1.0%
	Sn	0～18.0	-1.0 ℃/1.0%

由图2可知, 试样是高温变形后空冷后的组织, 由于试样采用空冷的冷却方式很难消除变形应力, 导致DSC试样存在残余应力, 在实验开始后, 随着温度的升高会出现残余应力的释放过程, 由于残余应力的释放是放热过程, 所以实验前段部分DSC曲线偏离基线向上放热。但是这并不会影响差热分析量热扫描测试中钛合金相变点的测量。 Filip R等 ^[15] 的研究表明: 在热分析测量时, 相变点不受材料的形状与变形等的限制。对于近α钛合金而言, α-Ti→β-Ti相转变是一个持续的过程, 在DSC曲线上, 相变完成表现为基线迁移, 且是一种吸热反应。从图2中可以看出当温度在750 ℃左右时, DSC曲线开始下降, α-Ti→β-Ti相转变已经开始, 当温度到达1002.244 ℃时达到极值。

由于在高温下钛合金非常活泼, 很容易与周围环境发生反应。图3为所测钛合金的热重曲线(TG曲线), 从图3中可以看出, 随着温度的升高, 试样质量增加, 说明试样与周围气体发生氧化反应(如高温下2Ti+N₂=2TiN), 释放热量, 这样会使DSC曲线向上偏移。结合DSC的工作原理, 试样与环境反应放热, 导致温差热电偶测量温度偏高; 测量过程中不断加热, 相变反应来不及进行完全, 反应滞后也会导致温差热电偶测量温度偏高。综合考虑, 差示扫描热量法测量的相变温度偏高, 实际上Ti62421s相变温度应该在1002.1 ℃以下。

2.3 连续升温金相法

连续升温金相法是根据杠杆法则, 结合钛合金相图, 在β相转变温度附近, 随着固溶温度的升高, 初生α相逐渐减少, 当固溶温度超过β相转变温度后为单一的β相。

图2 Ti62421s钛合金DSC曲线

Fig.2 DSC curve of Ti62421s alloy

图3 Ti62421s钛合金TG曲线

Fig.3 TG curve of Ti62421s alloy

测定相变温度实验采用10-13009箱式电阻炉, 工作电压为380 V, 工作温度范围0～1300 ℃, 控温装置为ALTEC AL860。采用线切割方式从圆棒中部切取尺寸为Φ12 mm×10 mm的小圆柱作为连续升温金相法试验试样, 根据计算法和差示扫描热分析法的结果, 分析该合金的相变温度应该在1000 ℃左右, 所以选择淬火温度分别为950, 980, 995, 1000, 1005, 1015 ℃。根据实验试样淬火后的组织, 结合钛合金相图, 推断出Ti6242s钛合金T_{(α+β)/β相变点}。试样经不同的温度下保温1 h后迅速进行淬火后的组织见图4所示。

由图4可以知, 合金在950 ℃时的淬火组织为初生α相和β转相, 如图4(a), 随着固溶温度的升高, 在980 ℃时的淬火组织为初生α相和β转相, 如图(b)所示。当固溶温度达到995 ℃时, 其组织组成和在980 ℃时相同, 但是其中初生α相含量减少, 如图4(c)所示, 此时还是在α+β转两相区。固溶后立即水淬, β相在快速冷却时来不及通过扩散转变成平衡的α相, 只能通过β相中原子作集体有规律的近程迁移, 发生β→α′转变, 部分β相转变成针状的马氏体相, 即得到β相转变组织(针状α′相+β相), 其相组成为初生α+β转。由此可确定合金在995 ℃时固溶时, 合金处于β相变以下。当温度达到1000 ℃, 合金中初生等轴α相消失, 说明此时的固溶温度已非常接近T_{(α+β)/β相变点}, 如图4(d)所示。随着温度进一步升高, 当温度达到1005 ℃或更高的1015 ℃时, 合金组织为单一的β转变组织, 由此可知, 此时固溶温度已经在β相变温度以上。因此可推断Ti62421s钛合金的相变点温度在1000 ℃左右。

图4 不同温度淬火的金相组织照片

Fig.4 OM microstructures pictures of sample quenched at different temperature

(a) 950 ℃; (b) 980 ℃; (c) 995 ℃; (d) 1000 ℃; (e) 1005 ℃; (f) 1015 ℃

2.4 分析与讨论

计算法是根据钛合金成分及杂质含量计算T_{(α+β)/β相变点}为1006.75 ℃, 与实测值很接近。差热扫描量热法(DSC)测试过程中升温速率的快慢直接影响相变点的滞后程度情况, 采用5 ℃·min^-1升温速度, 避免了相变滞后现象 ^[16] , 但是由于试样与周围环境的反应无法避免, 导致所测相变点偏高。而根据连续升温金相法试样的金相照片比较可知, 合金的T_{(α+β)/β相变点}应该在1000 ℃左右。由于试样在淬火转移过程中可能已发生β→α转变, 形成次生α相, 文献 [ 17] 认为在相变点温度以上, 单一的β相组织析出集束状的次生α相, 此时的固溶温度应该在相变点以上。综合考虑计算法、差热扫描量热法(DSC)和连续升温金相法的测试结果, 分析得出Ti62421s钛合金的T_{(α+β)/β相变点}度为1000 ℃。

3 结论

采用计算法推算出Ti62421s钛合金的相变温度T_{(α+β)/β相变点}在1006 ℃左右。采用差示扫描量热法测出新型近α钛合金相变点为1002 ℃。采用连续升温金相法测得新型近α钛合金相变点为1000 ℃, 由于所选择的淬火温度间隔比较小, 所以所测得的相变温度T_{(α+β)/β相变点}比较准确, 这与差热扫描量热法测得的结果很相近。通过对比3种方法得到的结果, 确定了Ti62421s钛合金的T_{(α+β)/β相变点}为1000 ℃。