加热速度对航空航天材料用TA12(Ti55)钛合金的影响

在地球上我国拥有丰富的钛资源，储量高于其他国家。早在2006年中，我国拥有的海绵钛的年终产量超过跨入世界产钛大国的行列，并且我国的钛材的年终产量也挤入了其中，我国是名副其实的产钛大国，但与产钛大国相比的话，我国钛产业的技术水平仍有很大的上升空间，要成为世界钛业强国仍有很长的路要走，为了加快我国钛产业发展的步伐，把国外的研究成果拿来借鉴，是重要的途径之一。

钛的硬度与钢铁不相上下，而它的重量几乎为同体积的钢铁的一半，钛虽比铝重，但它的硬度却是铝的2倍，其熔点也远远大于铝。极细的钛粉还是极好的火箭燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。钛也是良好的低温材料，其导热系数及线膨胀系数均较低。

航空业一直以来都是钛合金产品的第一大用户，伴随着航空工业的迅速发展，对钛合金的性能的要求越来越高，对其使用也提出了更高的要求。就国内外最近几年高温钛合金的形式来看，由于近α钛合金拥有良好的综合性能，使得它在航空领域得到充分重视与应用。根据贵州的钛行业和工业布局，本课题研究的是采用我国在Ti55基础上进行改进优化的TA12钛合金。由于在其中去掉了稀土元素Nd，同时添加多种合金元素，且还添加了热强元素Ta和Nb，使TA12钛合金能在高温550℃下长时间工作。与此同时，该合金具有良好的塑性，是一种较为理想的航空航天材料，其主要是应用在航空方面，比如制造航空叶片、鼓筒等。

钛合金的相变点是生产工艺中的一个重要因素，在临界温度点上下可以根据所需要的性能来制定相应的生产工艺。综上，本文测定TA12合金相变温度选用了计算法、热膨胀法和连续升温金相法。最后对这三种方式的测定结果进行比较分析，归纳出其最优相变温度。

1、实验材料及实验方法

1.1实验材料

实验用的是TA12钛合金，其尺寸为Ø250×40。

1.2TA12钛合金相变点的测定

（1）计算法测定相变温度

计算法是依据合金中各种元素对其合金相变的影响来确定合金的相变温度。在TA12钛合金中各种元素及其比例都对钛合金相变温度有不同的影响。合金中元素在已知含量下直接带入公式进行计算，未知的情况下含量需要进行测量，虽然这样计算有一定的误差，但还是能作为另两种方法的参考依据。

（2）热膨胀法测定相变温度

在用热膨胀法测相变点时，用相变仪进行观察，在实验中，将温度匀速的上升到实验中确定测量的温度点，之后进行温保，一段时间后冷却，试样为4mmx10mm状圆柱。

（3）连续升温金相法测定相变温度

在实验材料上截取Ø10mm×15mm的试样，温度就设定为950℃、970℃、985℃、990℃、995℃、1000℃、1010℃。在温度升到已定温度时，不能继续加热，进行水冷，要想处理结果更好，淬火处理之后试样表面会有一氧化层，要想处理结果更好，对其进行金相组织观察必须先把氧化层去掉，再把试样腐蚀处理达到要求之后，对试样进行金相组织观察。

1.3金相分析

制备大小合适的试样，以便金相观察，为了更好的效果，必须对其金相分析前进行一些处理，去掉表面被氧化的钛组织，然后抛光处理制成金相试样，用由小到大号的金相砂纸逐次进行打磨，抛光处理后，制备成合适的金相试样。本实验采用腐蚀液为HF:HNO₃:H₂O=1:2:7，试样制备完成后用LeicaDMI5000M金相显微镜进行观察TA12钛合金的微观组织照片。

2、TA12钛合金相变温度的测定与分析

钛合金的相变温度是在连续加热的途中，钛及钛合金组织中α相正好消失时的温度。TA12钛合金的相变点的测定时非常重要的，它不仅仅是对组织的研究有贡献，由于相变点是合金相变中一个重要的温度分界点，对组织的分配有很大的影响，材料的组织是影响其性能的重要因素，并且在TA12钛合金的生产中，加工工艺对其组织有一定的影响，其各合金元素的百分比也是一个重要因素，还有就是热处理工艺也有很大的作用。总的来说，就是生产工艺对合金组织起决定性作用，而相变点是生产工艺中的一个重要环节。

所以要取得希望的组织，必须对相变点做准确的测定。现在获得合金相变点温度的方法有连续升温金相法、计算法、连续升温金相法、热膨胀法、电阻法及X衍射分析法等几种方法，其中最简单较为基础就是计算法了，连续升温金相法较为清晰，热膨胀则较为直观，所以本文采用计算法、热膨胀法和连续升温金相法来综合分析研究TA12钛合金的相变温度。

2.1计算法测定TA12钛合金相变温度

合金中的不同组织成分对其相变温度有不同的影响，但是即使影响再小也不能漏算，否则，用计算法测得的合金相变温度将有所偏差，不准确，在制定相应的生产工艺会不合理，有很大的麻烦。所以要想测得准确的钛合金相变温度，要把合金中的各种元素都考虑进去，不论主要元素还是微量的杂质元素，都务必要考虑在当中。前文提到，钛合金的类别有三种，其中中性元素对β转变温度的影响不算大，而α稳定元素和β稳定元素都是扩大相区的，前者是使β转变温度增大，加大α相区，后者是使β转变温度降低，扩大β相区，在计算时一定要把所有元素考虑进去，如果杂质元素含量已知，就直接带入公式计算出钛合金的相变温度，在未知的情况下，可以对其进行推断，再带入公式即可。计算法测定温度的公式为：

T(α+β)/β=885℃+∑元素含量×该元素对相变温度的影响。

2.2热膨胀法测定相变温度

由于构成物质的质点间平均距离会随温度的不同而有所不同，所以其在受热的途中不得不发生热膨胀。

因为合金试样中不同成分组织的密度是不一样的，在受热时就会发生膨胀，随着温度的增加，体积变换，一开始是物理变化，物理膨胀，当增加到一定温度时，加热时的膨胀曲线就不在是线性关系，也就是说此时发生了相变，热膨胀法测TA12钛合金相变温度就是根据这种原理进行测定的。

在温度小于880℃的AB线段上可以看出合金是物理扩散，其呈现的是线性关系；在线段BC上可以看出，它们之间已经不再成线性关系，所以，在BC段极有可能发生相变。在999℃<1070℃阶段中TA12钛合金发生的是α→β相变，即CD段。从990℃开始，钛合金中的α相逐渐的向β相转变，随着温度的升高，转变的β相含量越来越多，α相渐渐的减少。在最后的一段DE中，再次出现线性关系，已经能够不再发生偏移，说明在DE段合金相的转变结束了，可以得出相变转变温度是1070℃。

2.3连续升温金相法测定相变温度

连续升温金相法在这几种方式中是测定合金相变温度最普遍常用的方法了。在不同的设定温度条件下，对合金分别进行相应的淬火处理，然后根据试样中在初生α相的变化来确定合金的相变温度。

用连续升温金相法测TA12钛合金的相变温度，必须从合金中的α相含量入手，在临界点即合金相变点可以清楚的判断出合金相变温度，当在合金相变之下，随着温度的升高，α相逐渐转变成β相，呈现出来的是初生α相越来越少，增多的过程，当温度升高接近了相变温度是，两相逐渐转变玩，剩下的全是β相。

在临界温度以上的全是β相组织。要想用连续升温金相法测TA12钛合金的相变温度，必须对合金中次生α相的含量进行测量，在其含量为零的时候的温度则是TA12钛合金相变的温度。在这种情况下，要想测得TA12钛合金相变温度，必须根据前面计算法计算出的合金相变温度进行估算，在其温度的上下范围进行测量，这样就会省下很多不必要的实验和时间。把热处理实样准备好，就可以进行热处理了，在此过程中，应该要注意的是在加热和保温状态下要迅速的淬火，淬火的时间不宜过长。当这些全部处理过之后，接下来的 就是对金相组织的分析了，取出来的金相组织不能直接金相分析，因为在热处理途中其表面不能避免的要与外界接触，又钛的化学性质活泼，发生相应的化学反应，即与空气中的氧元素发生氧化反应，其又是才从炉子中取出的，温度很高，反应相当的剧烈，短时间内就会反应完成，不一会儿表面就有一层厚厚的氧化层，所以热处理之后不能直接进行金相分析，必须把其表面的氧化层去除掉才能进行下一步。

3、热处理温度对合金组织的影响

TA12钛合金作为近α型钛合金，其中有部分β相组织，所以TA12具有两相的特征，与此同时，根据前文的研究可以得出，热处理的温度对其合金组织也有一些影响。对TA12钛合金进行热处，并观察热处理温度对其合金成分组织的影响，研究其在实际生产、力学性能力等方面是否有积极地影响，对TA12钛合金的加工能否起到作用，故此这一部分内容是研究热处理对合金组织的影响。热处理后试样进行空冷，讨论试样空冷下留下的组织。

780℃、810℃、840℃、870℃这些温度下空冷的组织中主要有大量的出生α相和少量的β相组成，在远低于合金相变点温度时，组织中的初生α相是圆球状的，还有等轴状；而β呈现的针状。从低温到高温可以看出，球状的组织是与所增加的，但不怎么明显。当温度达到900℃时，可以观察到β转变组织的增多，但也不是很明显，与前几个温度下的组织基本上没有什么区别，随着温度的不断上升，在960℃时，两相的转变就相当的明显了，首先球状和等轴状的初生α相大量减少，其含量大约为60%。次生α相呈片 状排列，同时，在β处出现晶界。在1010℃时，组织中还能观察到初生α相，1010℃已经高于合金相变点的温度了，为什么还会有初生α相呢？这可能跟实验操作中各方面的影响相关，比如没有转移把时间控制在其范围内。当温度升高到1060℃时，其组织为片层状的β相转变组织。在原始β晶粒内形成大尺寸的“束集，且成同一取向得条状组织即魏氏组织。

4、结论

本课题所采用材料是TA12钛合金，本文用计算法、热膨胀法和连续升温金相法来测定TA12合金相变温度，同时又对三种方法测定结果进行比较分析，确定最优相变温度。

（1）计算法获取TA12合金相变温度是依据合金中元素对同素异构转变温度的影响进行的，由于杂质元素对其有一定的影响，如杂质氧和氮的含量在合格范围内变化，可以使β相变点在865~920摄氏度范围内变化。所以在计算过程中必须引起重视。

（2）热膨胀法操作方便，但是温度升高的快慢必然会影响其测量结果，同时还需要以Ar或者N2来进行冷却。

（3）金相法必须对大量试样进行热处理同时也要制取大量的金相试样，然后才能获得组织，周期相对较长，操作起来比较麻烦，成本较高，效率低下。

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