在地球上我國(guó)擁有豐富的鈦資源，儲(chǔ)量高于其他國(guó)家。早在2006年中，我國(guó)擁有的海綿鈦的年終產(chǎn)量超過(guò)跨入世界產(chǎn)鈦大國(guó)的行列，并且我國(guó)的鈦材的年終產(chǎn)量也擠入了其中，我國(guó)是名副其實(shí)的產(chǎn)鈦大國(guó)，但與產(chǎn)鈦大國(guó)相比的話(huà)，我國(guó)鈦產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平仍有很大的上升空間，要成為世界鈦業(yè)強(qiáng)國(guó)仍有很長(zhǎng)的路要走，為了加快我國(guó)鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐，把國(guó)外的研究成果拿來(lái)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(diǎn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁。極細(xì)的鈦粉還是極好的火箭燃料，所以鈦被譽(yù)為宇宙金屬，空間金屬。鈦也是良好的低溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)及線(xiàn)膨脹系數(shù)均較低。
航空業(yè)一直以來(lái)都是鈦合金產(chǎn)品的第一大用戶(hù)，伴隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)鈦合金的性能的要求越來(lái)越高，對(duì)其使用也提出了更高的要求。就國(guó)內(nèi)外最近幾年高溫鈦合金的形式來(lái)看，由于近α鈦合金擁有良好的綜合性能，使得它在航空領(lǐng)域得到充分重視與應(yīng)用。根據(jù)貴州的鈦行業(yè)和工業(yè)布局，本課題研究的是采用我國(guó)在Ti55基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化的TA12鈦合金。由于在其中去掉了稀土元素Nd，同時(shí)添加多種合金元素，且還添加了熱強(qiáng)元素Ta和Nb，使TA12鈦合金能在高溫550℃下長(zhǎng)時(shí)間工作。與此同時(shí)，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(yīng)用在航空方面，比如制造航空葉片、鼓筒等。
鈦合金的相變點(diǎn)是生產(chǎn)工藝中的一個(gè)重要因素，在臨界溫度點(diǎn)上下可以根據(jù)所需要的性能來(lái)制定相應(yīng)的生產(chǎn)工藝。綜上，本文測(cè)定TA12合金相變溫度選用了計(jì)算法、熱膨脹法和連續(xù)升溫金相法。最后對(duì)這三種方式的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較分析，歸納出其最優(yōu)相變溫度。
1、實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法
1.1實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)用的是TA12鈦合金，其尺寸為?250×40。
1.2TA12鈦合金相變點(diǎn)的測(cè)定
（1）計(jì)算法測(cè)定相變溫度
計(jì)算法是依據(jù)合金中各種元素對(duì)其合金相變的影響來(lái)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(duì)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(jìn)行計(jì)算，未知的情況下含量需要進(jìn)行測(cè)量，雖然這樣計(jì)算有一定的誤差，但還是能作為另兩種方法的參考依據(jù)。
（2）熱膨脹法測(cè)定相變溫度
在用熱膨脹法測(cè)相變點(diǎn)時(shí)，用相變儀進(jìn)行觀察，在實(shí)驗(yàn)中，將溫度勻速的上升到實(shí)驗(yàn)中確定測(cè)量的溫度點(diǎn)，之后進(jìn)行溫保，一段時(shí)間后冷卻，試樣為4mmx10mm狀圓柱。
（3）連續(xù)升溫金相法測(cè)定相變溫度
在實(shí)驗(yàn)材料上截取?10mm×15mm的試樣，溫度就設(shè)定為950℃、970℃、985℃、990℃、995℃、1000℃、1010℃。在溫度升到已定溫度時(shí)，不能繼續(xù)加熱，進(jìn)行水冷，要想處理結(jié)果更好，淬火處理之后試樣表面會(huì)有一氧化層，要想處理結(jié)果更好，對(duì)其進(jìn)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(dá)到要求之后，對(duì)試樣進(jìn)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(duì)其金相分析前進(jìn)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(hào)的金相砂紙逐次進(jìn)行打磨，拋光處理后，制備成合適的金相試樣。本實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(cè)定與分析
鈦合金的相變溫度是在連續(xù)加熱的途中，鈦及鈦合金組織中α相正好消失時(shí)的溫度。TA12鈦合金的相變點(diǎn)的測(cè)定時(shí)非常重要的，它不僅僅是對(duì)組織的研究有貢獻(xiàn)，由于相變點(diǎn)是合金相變中一個(gè)重要的溫度分界點(diǎn)，對(duì)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(chǎn)中，加工工藝對(duì)其組織有一定的影響，其各合金元素的百分比也是一個(gè)重要因素，還有就是熱處理工藝也有很大的作用。總的來(lái)說(shuō)，就是生產(chǎn)工藝對(duì)合金組織起決定性作用，而相變點(diǎn)是生產(chǎn)工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
所以要取得希望的組織，必須對(duì)相變點(diǎn)做準(zhǔn)確的測(cè)定。現(xiàn)在獲得合金相變點(diǎn)溫度的方法有連續(xù)升溫金相法、計(jì)算法、連續(xù)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(jiǎn)單較為基礎(chǔ)就是計(jì)算法了，連續(xù)升溫金相法較為清晰，熱膨脹則較為直觀，所以本文采用計(jì)算法、熱膨脹法和連續(xù)升溫金相法來(lái)綜合分析研究TA12鈦合金的相變溫度。
2.1計(jì)算法測(cè)定TA12鈦合金相變溫度
合金中的不同組織成分對(duì)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(jì)算法測(cè)得的合金相變溫度將有所偏差，不準(zhǔn)確，在制定相應(yīng)的生產(chǎn)工藝會(huì)不合理，有很大的麻煩。所以要想測(cè)得準(zhǔn)確的鈦合金相變溫度，要把合金中的各種元素都考慮進(jìn)去，不論主要元素還是微量的雜質(zhì)元素，都務(wù)必要考慮在當(dāng)中。前文提到，鈦合金的類(lèi)別有三種，其中中性元素對(duì)β轉(zhuǎn)變溫度的影響不算大，而α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素都是擴(kuò)大相區(qū)的，前者是使β轉(zhuǎn)變溫度增大，加大α相區(qū)，后者是使β轉(zhuǎn)變溫度降低，擴(kuò)大β相區(qū)，在計(jì)算時(shí)一定要把所有元素考慮進(jìn)去，如果雜質(zhì)元素含量已知，就直接帶入公式計(jì)算出鈦合金的相變溫度，在未知的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行推斷，再帶入公式即可。計(jì)算法測(cè)定溫度的公式為：
T(α+β)/β=885℃+∑元素含量×該元素對(duì)相變溫度的影響。
2.2熱膨脹法測(cè)定相變溫度
由于構(gòu)成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)間平均距離會(huì)隨溫度的不同而有所不同，所以其在受熱的途中不得不發(fā)生熱膨脹。
因?yàn)楹辖鹪嚇又胁煌煞纸M織的密度是不一樣的，在受熱時(shí)就會(huì)發(fā)生膨脹，隨著溫度的增加，體積變換，一開(kāi)始是物理變化，物理膨脹，當(dāng)增加到一定溫度時(shí)，加熱時(shí)的膨脹曲線(xiàn)就不在是線(xiàn)性關(guān)系，也就是說(shuō)此時(shí)發(fā)生了相變，熱膨脹法測(cè)TA12鈦合金相變溫度就是根據(jù)這種原理進(jìn)行測(cè)定的。
在溫度小于880℃的AB線(xiàn)段上可以看出合金是物理擴(kuò)散，其呈現(xiàn)的是線(xiàn)性關(guān)系；在線(xiàn)段BC上可以看出，它們之間已經(jīng)不再成線(xiàn)性關(guān)系，所以，在BC段極有可能發(fā)生相變。在999℃<1070℃階段中TA12鈦合金發(fā)生的是α→β相變，即CD段。從990℃開(kāi)始，鈦合金中的α相逐漸的向β相轉(zhuǎn)變，隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)變的β相含量越來(lái)越多，α相漸漸的減少。在最后的一段DE中，再次出現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，已經(jīng)能夠不再發(fā)生偏移，說(shuō)明在DE段合金相的轉(zhuǎn)變結(jié)束了，可以得出相變轉(zhuǎn)變溫度是1070℃。
2.3連續(xù)升溫金相法測(cè)定相變溫度
連續(xù)升溫金相法在這幾種方式中是測(cè)定合金相變溫度最普遍常用的方法了。在不同的設(shè)定溫度條件下，對(duì)合金分別進(jìn)行相應(yīng)的淬火處理，然后根據(jù)試樣中在初生α相的變化來(lái)確定合金的相變溫度。
用連續(xù)升溫金相法測(cè)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(diǎn)即合金相變點(diǎn)可以清楚的判斷出合金相變溫度，當(dāng)在合金相變之下，隨著溫度的升高，α相逐漸轉(zhuǎn)變成β相，呈現(xiàn)出來(lái)的是初生α相越來(lái)越少，增多的過(guò)程，當(dāng)溫度升高接近了相變溫度是，兩相逐漸轉(zhuǎn)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(xù)升溫金相法測(cè)TA12鈦合金的相變溫度，必須對(duì)合金中次生α相的含量進(jìn)行測(cè)量，在其含量為零的時(shí)候的溫度則是TA12鈦合金相變的溫度。在這種情況下，要想測(cè)得TA12鈦合金相變溫度，必須根據(jù)前面計(jì)算法計(jì)算出的合金相變溫度進(jìn)行估算，在其溫度的上下范圍進(jìn)行測(cè)量，這樣就會(huì)省下很多不必要的實(shí)驗(yàn)和時(shí)間。把熱處理實(shí)樣準(zhǔn)備好，就可以進(jìn)行熱處理了，在此過(guò)程中，應(yīng)該要注意的是在加熱和保溫狀態(tài)下要迅速的淬火，淬火的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)這些全部處理過(guò)之后，接下來(lái)的 就是對(duì)金相組織的分析了，取出來(lái)的金相組織不能直接金相分析，因?yàn)樵跓崽幚硗局衅浔砻娌荒鼙苊獾囊c外界接觸，又鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，即與空氣中的氧元素發(fā)生氧化反應(yīng)，其又是才從爐子中取出的，溫度很高，反應(yīng)相當(dāng)?shù)膭×遥虝r(shí)間內(nèi)就會(huì)反應(yīng)完成，不一會(huì)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(jìn)行金相分析，必須把其表面的氧化層去除掉才能進(jìn)行下一步。
3、熱處理溫度對(duì)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(shí)，根據(jù)前文的研究可以得出，熱處理的溫度對(duì)其合金組織也有一些影響。對(duì)TA12鈦合金進(jìn)行熱處，并觀察熱處理溫度對(duì)其合金成分組織的影響，研究其在實(shí)際生產(chǎn)、力學(xué)性能力等方面是否有積極地影響，對(duì)TA12鈦合金的加工能否起到作用，故此這一部分內(nèi)容是研究熱處理對(duì)合金組織的影響。熱處理后試樣進(jìn)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(yuǎn)低于合金相變點(diǎn)溫度時(shí)，組織中的初生α相是圓球狀的，還有等軸狀；而β呈現(xiàn)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(dāng)溫度達(dá)到900℃時(shí)，可以觀察到β轉(zhuǎn)變組織的增多，但也不是很明顯，與前幾個(gè)溫度下的組織基本上沒(méi)有什么區(qū)別，隨著溫度的不斷上升，在960℃時(shí)，兩相的轉(zhuǎn)變就相當(dāng)?shù)拿黠@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(shí)，在β處出現(xiàn)晶界。在1010℃時(shí)，組織中還能觀察到初生α相，1010℃已經(jīng)高于合金相變點(diǎn)的溫度了，為什么還會(huì)有初生α相呢？這可能跟實(shí)驗(yàn)操作中各方面的影響相關(guān)，比如沒(méi)有轉(zhuǎn)移把時(shí)間控制在其范圍內(nèi)。當(dāng)溫度升高到1060℃時(shí)，其組織為片層狀的β相轉(zhuǎn)變組織。在原始β晶粒內(nèi)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(jié)論
本課題所采用材料是TA12鈦合金，本文用計(jì)算法、熱膨脹法和連續(xù)升溫金相法來(lái)測(cè)定TA12合金相變溫度，同時(shí)又對(duì)三種方法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較分析，確定最優(yōu)相變溫度。
（1）計(jì)算法獲取TA12合金相變溫度是依據(jù)合金中元素對(duì)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度的影響進(jìn)行的，由于雜質(zhì)元素對(duì)其有一定的影響，如雜質(zhì)氧和氮的含量在合格范圍內(nèi)變化，可以使β相變點(diǎn)在865~920攝氏度范圍內(nèi)變化。所以在計(jì)算過(guò)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(huì)影響其測(cè)量結(jié)果，同時(shí)還需要以Ar或者N2來(lái)進(jìn)行冷卻。
（3）金相法必須對(duì)大量試樣進(jìn)行熱處理同時(shí)也要制取大量的金相試樣，然后才能獲得組織，周期相對(duì)較長(zhǎng)，操作起來(lái)比較麻煩，成本較高，效率低下。
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