一种低成本钛合金相变点的测定方法

周建荣，刘润芳，杨益军，康凤，林军

（1.山西柴油机工业有限公司，山西 大同 037036；2.北京航天新风机械设备有限责任公司，北京 100074；3.中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039）

Ti12LC 是西北有色院研发的一种低成本α+β型两相钛合金，该合金强度高、塑性好、高温性能好，成本较航空常用的TC11 等钛合金低，已在航空航天领域获得了一些应用[1]。

相变温度是钛合金在加热过程中，组织中α相完全转化为β相的最低温度[2]，是钛合金热加工中非常重要的参数，是制定成形、热处理等工艺的前提[4]，在实际生产中，每批钛合金原材料由于化学成分的波动和加工批次的不同，相变点也有些许差别，因此每批不同炉号的钛合金原材料都应对其相变点进行测定[5]。文中通过2 种不同的方法测定了Ti12LC 钛合金同一批次原材料的相变点温度，为该钛合金的科研和生产提供了依据。

1 试验方法

试验采用西北有色院Ti12LC 钛合金Ф150 mm棒材，其化学成分及含量见表1[6]，其中Ti，Al，Mo，Fe 为主要元素，Si，C，N，H，O 为杂质元素。

图1 为该钛合金棒材原始加工态金相组织，从图1 可以看出，Ti12LC 钛合金经热加工后，组织主要由白色的初生α相和黑灰色的β基体组成，初生α相质量分数约占40%，同时β基体上可见部分被拉长的细板条状α相[7]。

图1 Ti12LC 钛合金原始态微观组织Fig.1 Original microstructure of Ti12LC alloy

表1 Til2LC 合金的化学成分Tab.1 Chemical components of Til2LC alloy

差热分析法试验采用SDT-Q600 差示扫描量热仪来测定钛合金的相变温度，将Ti12LC 钛合金样品加热至1000 ℃，升温速度为10 ℃/min，研究合金在高温下发生弱的固态相变温度，保护气体为高纯Ar，如图2 所示为使用的差示扫描量热仪。

图2 SDT-Q600 差示扫描量热仪Fig.2 SDT-Q600different scanning calorimeter

连续升温淬水金相法试验采用奥林巴斯金相显微镜，试样尺寸为Ф8 mm×10 mm，在温度860～900 ℃的范围内，每隔10 ℃取一个试验温度，采用程控式电阻炉，待炉温升至指定温度稳定后将样品放入并保温0.5 h，然后迅速放入室温水中，转移速度不超过5 s，淬火后的样品从中部剖开制样，以避免氧化造成富α相对结果产生影响。观察剩余α相的数量及分布。

2 结果与分析

如图3 所示为该材料差热试验测得的DSC 曲线。从图3 可以看出，对于α＋β钛合金，α→β转变是一个吸热反应，且是一个持续过程，在DSC 曲线上，相变的完成表现为基线迁移。由于钛有极高的化学活性，在高温下与氧、氮、坩埚（Al2O3）等物质发生化学反应会影响曲线的峰值，使相变点温度的分析难度加大[8]。升温过程中，在878.1 ℃时，曲线上有1个很宽的、明显的吸热峰存在，因此，初步确定该合金的相变在878.1 ℃左右。

图3 Ti12LC 钛合金DSC 曲线Fig.3 DSC curve of Til2LC alloy

为了克服钛合金化学活性高而导致的差示扫描量热法测量误差，进一步精确分析钛合金的相变点，采用淬火金相法对钛合金样品进行研究。如图4 为不同淬火温度下的Ti12LC 合金金相组织。

图4 Ti12LC 合金不同温度加热水淬后微观组织Fig.4 The microstructure of Til2LC alloy after quenching at different temperatures

在Ti12LC 合金主要成分中，Al 是α稳定元素，Mo 和Fe 是β稳定元素，合金组织由初生α相和β转变组织构成[9]。从图4 可以看出，随着温度的升高，在860～870 ℃温度，合金中α相的含量有所减少，甚至体积也有所减小，针状马氏体组织逐渐长大，当温度达到880 ℃后，这种转变就更加明显，α相的含量进一步降低，当温度达到890 ℃后，初生α相含量所占比例已经很低，如图4e，此时的温度已经相当接近合金相变温度点；而当淬火温度达到900 ℃时，已经观察不到初生α相，全部是针状马氏体，这说明相变已经结束，此温度已到β区，初生的等轴α相全部溶解，得到是粗大的β晶粒，经水淬后β相大部分转变为马氏体，其组织形貌成针状，小部分为亚稳定β相呈等轴状[10]，因此确定Ti12LC 钛合金的相变温度在880～890 ℃之间，其相变点的平均值为885 ℃。

3 结论

1）采用差热分析法测得Ti12LC 钛合金的相变温度为878.1 ℃，但由于钛在高温下与氧、氮、坩埚（Al2O3）等物质发生化学反应影响了测试的准确性，因此该相变温度较合金实际相变温度有一定误差。

2）采用连续升温淬火金相法，测得Ti12LC 钛合金的相变温度为885 ℃，该方法间隔温度较小，仅为10 ℃，因此该相变温度的测量较为准确。

3）相变温度是钛合金热加工中非常重要的参数，是制定成形、热处理等工艺的前提，采用了2 种方法测得合金的相变温度，为后续加工工艺参数的制订提供了依据。