加熱速度對航空航天材料用TA12(Ti55)鈦合金的影響

在地球上我國擁有豐富的鈦資源，儲量高于其他國家。早在2006年中，我國擁有的海綿鈦的年終產量超過跨入世界產鈦大國的行列，并且我國的鈦材的年終產量也擠入了其中，我國是名副其實的產鈦大國，但與產鈦大國相比的話，我國鈦產業的技術水平仍有很大的上升空間，要成為世界鈦業強國仍有很長的路要走，為了加快我國鈦產業發展的步伐，把國外的研究成果拿來借鑒，是重要的途徑之一。

鈦的硬度與鋼鐵不相上下，而它的重量幾乎為同體積的鋼鐵的一半，鈦雖比鋁重，但它的硬度卻是鋁的2倍，其熔點也遠遠大于鋁。極細的鈦粉還是極好的火箭燃料，所以鈦被譽為宇宙金屬，空間金屬。鈦也是良好的低溫材料，其導熱系數及線膨脹系數均較低。

航空業一直以來都是鈦合金產品的第一大用戶，伴隨著航空工業的迅速發展，對鈦合金的性能的要求越來越高，對其使用也提出了更高的要求。就國內外最近幾年高溫鈦合金的形式來看，由于近α鈦合金擁有良好的綜合性能，使得它在航空領域得到充分重視與應用。根據貴州的鈦行業和工業布局，本課題研究的是采用我國在Ti55基礎上進行改進優化的TA12鈦合金。由于在其中去掉了稀土元素Nd，同時添加多種合金元素，且還添加了熱強元素Ta和Nb，使TA12鈦合金能在高溫550℃下長時間工作。與此同時，該合金具有良好的塑性，是一種較為理想的航空航天材料，其主要是應用在航空方面，比如制造航空葉片、鼓筒等。

鈦合金的相變點是生產工藝中的一個重要因素，在臨界溫度點上下可以根據所需要的性能來制定相應的生產工藝。綜上，本文測定TA12合金相變溫度選用了計算法、熱膨脹法和連續升溫金相法。最后對這三種方式的測定結果進行比較分析，歸納出其最優相變溫度。

1、實驗材料及實驗方法

1.1實驗材料

實驗用的是TA12鈦合金，其尺寸為?250×40。

1.2TA12鈦合金相變點的測定

（1）計算法測定相變溫度

計算法是依據合金中各種元素對其合金相變的影響來確定合金的相變溫度。在TA12鈦合金中各種元素及其比例都對鈦合金相變溫度有不同的影響。合金中元素在已知含量下直接帶入公式進行計算，未知的情況下含量需要進行測量，雖然這樣計算有一定的誤差，但還是能作為另兩種方法的參考依據。

（2）熱膨脹法測定相變溫度

在用熱膨脹法測相變點時，用相變儀進行觀察，在實驗中，將溫度勻速的上升到實驗中確定測量的溫度點，之后進行溫保，一段時間后冷卻，試樣為4mmx10mm狀圓柱。

（3）連續升溫金相法測定相變溫度

在實驗材料上截取?10mm×15mm的試樣，溫度就設定為950℃、970℃、985℃、990℃、995℃、1000℃、1010℃。在溫度升到已定溫度時，不能繼續加熱，進行水冷，要想處理結果更好，淬火處理之后試樣表面會有一氧化層，要想處理結果更好，對其進行金相組織觀察必須先把氧化層去掉，再把試樣腐蝕處理達到要求之后，對試樣進行金相組織觀察。

1.3金相分析

制備大小合適的試樣，以便金相觀察，為了更好的效果，必須對其金相分析前進行一些處理，去掉表面被氧化的鈦組織，然后拋光處理制成金相試樣，用由小到大號的金相砂紙逐次進行打磨，拋光處理后，制備成合適的金相試樣。本實驗采用腐蝕液為HF:HNO₃:H₂O=1:2:7，試樣制備完成后用LeicaDMI5000M金相顯微鏡進行觀察TA12鈦合金的微觀組織照片。

2、TA12鈦合金相變溫度的測定與分析

鈦合金的相變溫度是在連續加熱的途中，鈦及鈦合金組織中α相正好消失時的溫度。TA12鈦合金的相變點的測定時非常重要的，它不僅僅是對組織的研究有貢獻，由于相變點是合金相變中一個重要的溫度分界點，對組織的分配有很大的影響，材料的組織是影響其性能的重要因素，并且在TA12鈦合金的生產中，加工工藝對其組織有一定的影響，其各合金元素的百分比也是一個重要因素，還有就是熱處理工藝也有很大的作用。總的來說，就是生產工藝對合金組織起決定性作用，而相變點是生產工藝中的一個重要環節。

所以要取得希望的組織，必須對相變點做準確的測定。現在獲得合金相變點溫度的方法有連續升溫金相法、計算法、連續升溫金相法、熱膨脹法、電阻法及X衍射分析法等幾種方法，其中最簡單較為基礎就是計算法了，連續升溫金相法較為清晰，熱膨脹則較為直觀，所以本文采用計算法、熱膨脹法和連續升溫金相法來綜合分析研究TA12鈦合金的相變溫度。

2.1計算法測定TA12鈦合金相變溫度

合金中的不同組織成分對其相變溫度有不同的影響，但是即使影響再小也不能漏算，否則，用計算法測得的合金相變溫度將有所偏差，不準確，在制定相應的生產工藝會不合理，有很大的麻煩。所以要想測得準確的鈦合金相變溫度，要把合金中的各種元素都考慮進去，不論主要元素還是微量的雜質元素，都務必要考慮在當中。前文提到，鈦合金的類別有三種，其中中性元素對β轉變溫度的影響不算大，而α穩定元素和β穩定元素都是擴大相區的，前者是使β轉變溫度增大，加大α相區，后者是使β轉變溫度降低，擴大β相區，在計算時一定要把所有元素考慮進去，如果雜質元素含量已知，就直接帶入公式計算出鈦合金的相變溫度，在未知的情況下，可以對其進行推斷，再帶入公式即可。計算法測定溫度的公式為：

T(α+β)/β=885℃+∑元素含量×該元素對相變溫度的影響。

2.2熱膨脹法測定相變溫度

由于構成物質的質點間平均距離會隨溫度的不同而有所不同，所以其在受熱的途中不得不發生熱膨脹。

因為合金試樣中不同成分組織的密度是不一樣的，在受熱時就會發生膨脹，隨著溫度的增加，體積變換，一開始是物理變化，物理膨脹，當增加到一定溫度時，加熱時的膨脹曲線就不在是線性關系，也就是說此時發生了相變，熱膨脹法測TA12鈦合金相變溫度就是根據這種原理進行測定的。

在溫度小于880℃的AB線段上可以看出合金是物理擴散，其呈現的是線性關系；在線段BC上可以看出，它們之間已經不再成線性關系，所以，在BC段極有可能發生相變。在999℃<1070℃階段中TA12鈦合金發生的是α→β相變，即CD段。從990℃開始，鈦合金中的α相逐漸的向β相轉變，隨著溫度的升高，轉變的β相含量越來越多，α相漸漸的減少。在最后的一段DE中，再次出現線性關系，已經能夠不再發生偏移，說明在DE段合金相的轉變結束了，可以得出相變轉變溫度是1070℃。

2.3連續升溫金相法測定相變溫度

連續升溫金相法在這幾種方式中是測定合金相變溫度最普遍常用的方法了。在不同的設定溫度條件下，對合金分別進行相應的淬火處理，然后根據試樣中在初生α相的變化來確定合金的相變溫度。

用連續升溫金相法測TA12鈦合金的相變溫度，必須從合金中的α相含量入手，在臨界點即合金相變點可以清楚的判斷出合金相變溫度，當在合金相變之下，隨著溫度的升高，α相逐漸轉變成β相，呈現出來的是初生α相越來越少，增多的過程，當溫度升高接近了相變溫度是，兩相逐漸轉變玩，剩下的全是β相。

在臨界溫度以上的全是β相組織。要想用連續升溫金相法測TA12鈦合金的相變溫度，必須對合金中次生α相的含量進行測量，在其含量為零的時候的溫度則是TA12鈦合金相變的溫度。在這種情況下，要想測得TA12鈦合金相變溫度，必須根據前面計算法計算出的合金相變溫度進行估算，在其溫度的上下范圍進行測量，這樣就會省下很多不必要的實驗和時間。把熱處理實樣準備好，就可以進行熱處理了，在此過程中，應該要注意的是在加熱和保溫狀態下要迅速的淬火，淬火的時間不宜過長。當這些全部處理過之后，接下來的 就是對金相組織的分析了，取出來的金相組織不能直接金相分析，因為在熱處理途中其表面不能避免的要與外界接觸，又鈦的化學性質活潑，發生相應的化學反應，即與空氣中的氧元素發生氧化反應，其又是才從爐子中取出的，溫度很高，反應相當的劇烈，短時間內就會反應完成，不一會兒表面就有一層厚厚的氧化層，所以熱處理之后不能直接進行金相分析，必須把其表面的氧化層去除掉才能進行下一步。

3、熱處理溫度對合金組織的影響

TA12鈦合金作為近α型鈦合金，其中有部分β相組織，所以TA12具有兩相的特征，與此同時，根據前文的研究可以得出，熱處理的溫度對其合金組織也有一些影響。對TA12鈦合金進行熱處，并觀察熱處理溫度對其合金成分組織的影響，研究其在實際生產、力學性能力等方面是否有積極地影響，對TA12鈦合金的加工能否起到作用，故此這一部分內容是研究熱處理對合金組織的影響。熱處理后試樣進行空冷，討論試樣空冷下留下的組織。

780℃、810℃、840℃、870℃這些溫度下空冷的組織中主要有大量的出生α相和少量的β相組成，在遠低于合金相變點溫度時，組織中的初生α相是圓球狀的，還有等軸狀；而β呈現的針狀。從低溫到高溫可以看出，球狀的組織是與所增加的，但不怎么明顯。當溫度達到900℃時，可以觀察到β轉變組織的增多，但也不是很明顯，與前幾個溫度下的組織基本上沒有什么區別，隨著溫度的不斷上升，在960℃時，兩相的轉變就相當的明顯了，首先球狀和等軸狀的初生α相大量減少，其含量大約為60%。次生α相呈片 狀排列，同時，在β處出現晶界。在1010℃時，組織中還能觀察到初生α相，1010℃已經高于合金相變點的溫度了，為什么還會有初生α相呢？這可能跟實驗操作中各方面的影響相關，比如沒有轉移把時間控制在其范圍內。當溫度升高到1060℃時，其組織為片層狀的β相轉變組織。在原始β晶粒內形成大尺寸的“束集，且成同一取向得條狀組織即魏氏組織。

4、結論

本課題所采用材料是TA12鈦合金，本文用計算法、熱膨脹法和連續升溫金相法來測定TA12合金相變溫度，同時又對三種方法測定結果進行比較分析，確定最優相變溫度。

（1）計算法獲取TA12合金相變溫度是依據合金中元素對同素異構轉變溫度的影響進行的，由于雜質元素對其有一定的影響，如雜質氧和氮的含量在合格范圍內變化，可以使β相變點在865~920攝氏度范圍內變化。所以在計算過程中必須引起重視。

（2）熱膨脹法操作方便，但是溫度升高的快慢必然會影響其測量結果，同時還需要以Ar或者N2來進行冷卻。

（3）金相法必須對大量試樣進行熱處理同時也要制取大量的金相試樣，然后才能獲得組織，周期相對較長，操作起來比較麻煩，成本較高，效率低下。

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