差示扫描量热法测定TA15/TC4钛合金的相变温度

钛合金相变温度是指在平衡状态下α相刚好完全转变为β相的温度。精确测定钛合金的相变温度对钛及钛合金加工和热处理具有非常重要的意义，是制定最佳的材料热加工变形参数和热处理规范的依据。差示扫描量热法可以记录加热或冷却过程中热流的变化，通过热流变化分析出钛合金的相变温度。它是一种有效测试钛合金相变温度的方法，具有快速、高效、易于操作等特点。常规的DSC一般最高使用温度在700℃左右，而近些年高灵敏度高温DSC的发展及应用使得高温测试钛合金相变温度成为可能，并使其测得的准确性得到大幅提高。

1、实验

实验所用的仪器为METTLER公司的TGA/DSC3/1600LF至尊型同步热分析仪，可使用温度范围为：室温～1600℃。实验所用的样品是分别从四种不同钛合金TC27、TA15、TC4、TB6棒材上切取φ6mm×1～2mm的小圆柱。样品编号及相变温度如表1所示。实验过程中使用容积为150μL的铂金坩埚，升温速率20℃/min，高纯Ar气保护50mL/min，实验温度为30～1200℃。利用同步热分析仪得到四种不同钛合金在升温过程的TGA/DSC曲线，通过曲线分析出四种不同钛合金的相变温度。

2、实验结果及分析

表1 样品信息

2.1 TC27钛合金

TC27钛合金名义成分为Ti-5Al-4Mo-6V-2Nb-1Fe，是一种近β钛合金。图1为TC27钛合金的TGA/DSC测试曲线。图谱均分为两部分，曲线横坐标为温度（℃），其中上半部分的实曲线为TGA，纵坐标为重量百分（%）；下半部分的实曲线为热流曲线，纵坐标为归一化后的热流值（W/g）；虚曲线为DSC曲线的一阶导数，纵坐标W/g·℃。在测试范围内，TG重量基本没有变化，因此样品在整个过程中没有发生氧化反应。由DSC曲线可以看出，在500℃前的DSC曲线明显向下弯曲呈现放热现象，应是由样品释放残余应力引起的；而在700℃以后，有明显的向吸热方向偏移，出现吸热峰，约在900℃左右结束，这是由于相变是一个持续的过程。参考标准HB 6623.1-92将DTA曲线对温度的一阶倒数的峰值定义为钛合金的相变温度。图1也给出了DSC曲线的一阶导数，曲线上有明显的峰，峰值为869.24℃，可推断TC27钛合金的相变温度为869.24℃。

图1 TC27钛合金的TGA/DSC曲线

2.2 TA15钛合金

TA15钛合金名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是一种近α钛合金。图2为TA15钛合金的TGA/DSC测试曲线。同样，在测试范围内TG重量基本没有变化，因此样品在整个过程中没有发生氧化反应。由DSC曲线可以看出，在500℃前的DSC曲线明显向下弯曲也呈现放热现象，应也是由样品释放残余应力引起的；而在700℃以后，有明显的向吸热方向偏移，出现吸热峰，约在1020℃左右结束。图2也给出了DSC曲线的一阶导数，曲线上有明显的峰，峰值为992.87℃，同理可推断TA15钛合金的相变温度为992.87℃。

图2 TA15钛合金的TGA/DSC曲线

2.3 TC4钛合金

TC4钛合金名义成分为Ti-6Al-4V，是最为常用的α+β钛合金之一。图3为TC4钛合金的TGA/DSC测试曲线。同样，在测试范围内TG重量基本没有变化，因此样品在整个过程中没有发生氧化反应。由DSC曲线可以看出，在500℃前的DSC曲线明显向下弯曲也呈现放热现象，应也是由样品释放残余应力引起的；而在700℃以后，有明显的向吸热方向偏移，出现吸热峰，约在1020℃左右结束。图3也给出了DSC曲线的一阶导数，曲线上有明显的峰，峰值为977.60℃，同理可推断TC4钛合金的相变温度为977.60℃。

图3 TC4钛合金的TGA/DSC曲线

2.4 TB6钛合金

TB6钛合金成分为Ti-10V-2Fe-3Al，是一种近β钛合金。图3为TB6钛合金的TGA/DSC测试曲线。同样，在测试范围内TG重量基本没有变化，因此样品在整个过程中没有发生氧化反应。由DSC曲线可以看出，在500℃前的DSC曲线明显向下弯曲也呈现放热现象，应也是由样品释放残余应力引起的；而在700℃以后，有明显的向吸热方向偏移，出现吸热峰，约在850℃左右结束。图3也给出了DSC曲线的一阶导数，曲线上有明显的峰，峰值为804.29℃，同理可推断TB6钛合金的相变温度为804.29℃。

图4 TB6钛合金的TGA/DSC曲线

3、讨论

由于近些年DSC可使用温度的范围进一步向高温扩展，使得一些相变温度很高的钛合金如TA15、TC4钛合金，也可以通过差示扫描量法来测得。同时也因为DSC测试精度的逐步提高、以及众多研究者对此法经验的积累，对于像TC27比较微弱的钛合金的相变过程通过基线校准也能分析出很好的测试结果。金相法是测试钛合金相变温度最为常用的方法，对四种不同钛合金相变温度采用金相法测得结果如表2所示。通过对比差示扫描量法和金相法的测试结果，可以看出两种测试方法的结果相当接近，说明差示扫描量热法也是一种有效的测试钛合金相变温度的方法，而且比金相法操作简便、快速高效，可以在未知相变温度区间测定新的合金相变温度时体现出绝对的优势。

表2 金相法测试结果

4、结论

采用差示扫描量热法测定四种不同钛合金的相变温度，其测试曲线体现出类似的规律，参考标准HB 6623.1-92将DTA曲线对温度的一阶倒数的峰值定义为钛合金的相变温度，因此对DSC曲线求一阶导数，峰值位置即为相变温度。由于目前金相法是钛合金中最为常用的方法，而通过差示扫描量热法和金相法测试结果，可知两者的结果相当接近，说明差示扫描量热法也是一种有效的测试钛合金相变温度的方法。