探索鈦及鈦合金的高畫質金相圖譜：微觀世界的奇妙之旅

2024-07-26科學

導語

鈦是一種具有重要工業價值的金屬，因其優異的物理和化學特性，在多個領域展現出廣泛的套用前景。作為一種輕質高強的金屬，鈦的密度約為4.5克/立方厘米，比重接近鋁，但卻具有比鋁更高的強度和更優秀的耐腐蝕效能，能夠抵禦大多數酸堿介質的侵蝕，尤其在海水等苛刻環境中表現出色。此外，鈦還具備良好的化石相容性，因此在醫療器械領域有著廣泛的套用，例如人工關節、牙科種植體等。

鈦合金是將鈦與其他金屬元素（如鋁、釩、鐵等）合金化而成，透過合金化能夠進一步最佳化其效能，如提高強度、耐腐蝕性等特性。在航空航天領域，鈦合金由於其輕量化和高強度的特點，被廣泛套用於飛機結構、發動機零部件等關鍵部位，能夠顯著減輕飛機重量，提升飛行效能和燃油效率。在化工工業中，鈦合金常用於制造耐腐蝕器材和管道，如化工反應器、海水淡化器材等，能夠長期穩定執行在酸堿性環境下，發揮重要作用。此外，鈦合金也在體育用品制造中有所套用，如高爾夫球桿、單車框架等，因其輕便且堅固的特性，為運動員提供了優秀的競技表現和使用體驗。總體而言，鈦及其合金以其卓越的效能和多樣的套用領域，為現代工業和科技領域帶來了重要的技術進步和創新機會。

本文總結了鈦及鈦合金的高畫質金相組織圖譜，為我們揭示了鈦合金材料微觀結構的奧秘。

鈦合金的金相組織 01

鈦合金的金相組織通常涉及以下幾種主要相:

α相(Alpha相):這是鈦合金中最穩定的相，具有良好的塑性和韌性。在低溫下，大部份的鈦合金都是以α相存在。
B相(Beta相):在高溫下，一些鈦合金會轉變為β相，這種相具有較高的強度和硬度。B相的穩定性隨著合金中B型元素的含量增加而增強，如釩、鋁等。
α+β相:某些鈦合金在室溫下具有α相和β相的共存狀態，這種組織既保留了α相的塑性和韌性又具有B相的高強度和硬度特性。
w相(Omega相):這是一種高壓相，只在極端條件下(如高壓高溫)才會出現，通常在合金加工過程中不穩定。
混合相:除了以上主要相外，鈦合金中還可能存在一些其他的混合相或亞穩相，這些相的存在狀態會受到合金成分、熱處理條件等因素的影響。

這些相的存在和比例對鈦合金的力學效能、耐腐蝕效能以及加工效能等都有重要影響，因此金相分析對於鈦公金材料的研究和套用具有重要意義。

金相制樣指南 02

制備鈦合金金相樣品的關鍵要點包括以下幾個步驟:

樣品選擇:選擇代表性的鈦合金樣品，確保樣品表面平整、無明顯缺陷或損傷。
切割和磨削:與其他金屬相比，鈦金屬導熱率較低，切割試樣必須采用水冷防止局部過熱，使用高速切割工具或線切割機將鈦合金樣品切割成適當大小的塊狀或片狀，還需要減小切割片的切割速率和進給速率。然後透過磨削、打磨等工藝使樣品表面平坦、光滑，以便後續的金相分析和觀察
粗磨和細磨:使用逐漸細化的砂輪或研磨紙對樣品進行粗磨和細磨，以去除切割過程中產生的熱變形區和劃痕，同時保持樣品表面的平整度和平行度。

鏡面拋光:將樣品表面進一步拋光至鏡面光潔度，以確保在金相顯微鏡下觀察時能夠清晰分辨務種金相組織和晶粒結構。拋光過程中應控制拋光時間和壓力，避免樣品表面過度熱損傷或形成偽相。
腐蝕和脫脂:根據具體需要，可以選擇合適的腐蝕劑(如Kroll'sreagent)對樣品進行腐蝕處理，以顯現出不同金相組織的邊界和形貌。腐蝕後需進行脫脂處理，去除腐蝕劑殘留物，避免對金相分析結果的幹擾。

清洗和幹燥:最後，使用去離子水或乙醇等清潔劑徹底清洗樣品表面，確保無雜質存在。隨後將樣品放置在通風處自然幹燥或使用低溫烘幹器材幹燥，以防止水分殘留和氧化。

鈦及鈦合金金相圖 04

試劑

Kroll's Reagent:

100mL 蒸餾水、1-3mL HF、2-6mL HNO3

Modified Weck’s Reagent:

100mL 蒸餾水、25mL乙醇、2g NpFHF

材料	工業純鈦
牌號	Grade 2(UNS R50400)
標尺	100 μ m
處理工藝	1038℃退火
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	正交偏光+靈敏色片觀察

材料	工業純鈦
牌號	Grade 4(UNS R50700)
標尺	50 μ m
處理工藝	704℃退火
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	縱截面

材料	工業純鈦
牌號	Grade 2(UNS R50400)
標尺	100 μ m
處理工藝	軋制
浸蝕劑
備註	正交偏光觀察

材料	工業純鈦
牌號	Grade 2(UNS R50400)
標尺	100 μ m
處理工藝	軋制
浸蝕劑
備註	正交偏光觀察

材料	Ti-0.2%Pd
牌號	UNS R52400
標尺	100 μ m
處理工藝
浸蝕劑
備註	正交偏光觀察

材料	工業純鈦（內部）
牌號	Grade 2(UNS R50400)
標尺	100 μ m
處理工藝	軋制
浸蝕劑	Mod. Weck’s reagent
備註	縱截面，正交偏光+靈敏色片觀察

材料	工業純鈦（邊部）
牌號	Grade 2(UNS R50400)
標尺	100 μ m
處理工藝	軋制
浸蝕劑	Mod. Weck’s reagent
備註	縱截面，正交偏光+靈敏色片觀察

材料	工業純鈦
牌號	Grade 4 (UNS R50700)
標尺	50 μ m
處理工藝	704℃退火
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	縱截面，明場觀察

材料	工業純鈦
牌號	Grade 4 (UNS R50700)
標尺	100 μ m
處理工藝	退火
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	橫截面，偏振光+靈敏色片觀察

材料	工業純鈦
牌號	Grade 4 (UNS R50700)
標尺	100 μ m
處理工藝	退火
浸蝕劑
備註	橫截面，熱染色+偏振光+靈敏色片觀察

材料	Ti-5%Al-2.5%Sn
牌號	UNS R54520
標尺	50 μ m
處理工藝
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	橫截面，偏振光觀察

材料	Ti-3%W
標尺	20 μ m
處理工藝	加熱至966℃，保溫15分鐘，油淬
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	實驗材料

材料	Ti - 0.6% Si
標尺	100 μ m
處理工藝	加熱至966℃，保溫15分鐘，水淬
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	偏振光觀察

材料	Ti - 0.6% Si
標尺	20 μ m
處理工藝	加熱至966℃，保溫15分鐘，水淬
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	DIC照明觀察

材料	Ti-3%W
牌號	-
標尺	50 μ m
處理工藝	加熱至966℃，油淬
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	實驗材料

材料	Ti-3%Cr
牌號	-
標尺	20 μ m
處理工藝	表面熱處理
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	實驗材料

材料	Ti-3%Cr
牌號	-
標尺	20 μ m
處理工藝	加熱至1038℃，保溫15分鐘，水淬
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	實驗材料，明場照明觀察

材料	Ti-3%Cr
牌號	-
標尺	20 μ m
處理工藝	加熱至1038℃，保溫15分鐘，水淬
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	實驗材料，DIC照明觀察

材料	工業純鈦
牌號	-
標尺	50 μ m
處理工藝	表面形成氫化鈦
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	The fracture face at mid thickness

材料	工業純鈦
牌號	-
標尺	20 μ m
處理工藝	表面形成氫化鈦
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	the fracture at the inner diameter

材料	Ti-8%Al-1%Mo-1%V
牌號	Ti-811, UNS R54810
標尺	20 μ m
處理工藝	-
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	坯件

材料	Ti-8%Al-1%Mo-1%V
牌號	Ti-811, UNS R54810
標尺	20 μ m
處理工藝	軋制
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	縱截面

材料	Ti-8Al-1%Mo-1%V
牌號	Ti-811, UNS R54810
標尺	20 μ m
處理工藝	加熱至1010℃，保溫1h，空冷，再加熱至593℃，保溫8h，空冷。
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	橫截面， β 轉變溫度1040℃

材料	Ti-2.25% Al-11% Sn-5% Zr-1% Mo-0.25% Si
牌號	IMI 679
標尺	20 μ m
處理工藝	加熱至1010℃，保溫1h，空冷，再加熱至593℃，保溫8h，空冷。
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌號	Ti-6242
標尺	100 μ m
處理工藝	鑄造
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌號	Ti-6242
標尺	50 μ m
處理工藝
浸蝕劑	aqueous 0.5% HF
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌號	Ti-6242
標尺	50 μ m
處理工藝
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌號	Ti-6242
標尺	20 μ m
處理工藝	鍛造
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌號	Ti-6242
標尺	20 μ m
處理工藝	軋制
浸蝕劑	aqueous 0.5% HF
備註	橫截面，近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌號	Ti-6242
標尺	20 μ m
處理工藝	加熱至950℃，保溫1h，風冷，再加熱至593℃，保溫8h，空冷，軋制。
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	β 轉變溫度995±15℃

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌號	Ti-6242
標尺	50 μ m
處理工藝	加熱至977℃，保溫1h，風冷，再加熱至593℃，保溫8h，空冷，軋制。
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌號	Ti-6242
標尺	10 μ m
處理工藝	加熱至977℃，保溫1h，風冷，再加熱至593℃，保溫8h，空冷，軋制。
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo-0.1%Si
牌號	Ti-6242Si，UNS R54620
標尺	20 μ m
處理工藝	alpha/beta forged at 954 ºC， alpha/beta annealed (969 ºC-2 h, air cool)
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	β轉變溫度995±15℃

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo-0.1%Si
牌號	Ti-6242Si，UNS R54620
標尺	20 μ m
處理工藝	alpha/beta forged at 954 ºC, alpha/beta annealed (969 ºC-2 h, air cool), sub-transus compressed at 899 ºC, 10-3 sec-1, to a 50% reduction in height
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo-0.1%Si
牌號	Ti-6242Si，UNS R54620
標尺	20 μ m
處理工藝	beta forged at 1038 ºC， beta annealed (1024 ºC-2 h, air cool)
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo-0.1%Si
牌號	Ti-6242Si，UNS R54620
標尺	20 μ m
處理工藝	beta forged at 1038 ºC，beta annealed (1024 ºC-2 h, air cool), sub-transus compressed at 927 ºC, 10-3 sec-1, to a 50% reduction in height
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	近 α 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo
牌號	Ti-6246，UNS R56260
標尺	10 μ m
處理工藝	(alpha-beta forged billet)
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金，β轉變溫度935℃

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo
牌號	Ti-6246，UNS R56260
標尺	20 μ m
處理工藝	(beta forged billet)
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo
牌號	Ti-6246，UNS R56260
標尺	50 μ m
處理工藝	-
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金，PWA1216

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo
牌號	Ti-6246，UNS R56260
標尺	20 μ m
處理工藝	-
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金，PWA1216

材料	Ti-6% Al-4%V
牌號	UNS R56401
標尺	20 μ m
處理工藝	704℃退火
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金，β轉變溫度975±15℃

材料	Ti-4%Zr
牌號
標尺	200 μ m
處理工藝	鑄造
浸蝕劑	Weck’s reagent
備註	α + β 鈦合金，偏振光+靈敏色片觀察

材料	Ti-6% Al-4%V
牌號	UNS R56401
標尺	200 μ m
處理工藝	鑄造
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	α + β 鈦合金，偏振光觀察

材料	Ti-6% Al-4%V
牌號
標尺	100 μ m
處理工藝	鑄造
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	α + β 鈦合金，偏振光+靈敏色片觀察

材料	Ti-6% Al-4%V
牌號	UNS R56400
標尺	20 μ m
處理工藝	鍛造
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金，β轉變溫度995±15℃

材料	Ti-6% Al-4%V
牌號	UNS R56400
標尺	50 μ m
處理工藝	加熱至950℃，水淬
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金

材料	Ti-6% Al-4%V
牌號	UNS R56400
標尺	100 μ m
處理工藝	加熱至1010℃，緩冷
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金

材料	Ti-6% Al-4%V
牌號	UNS R56400
標尺	100 μ m
處理工藝	Overheated wrought
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	α + β 鈦合金

材料	Ti-6% Al-4%V
牌號
標尺	100 μ m
處理工藝	激光焊接
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	α + β 鈦合金，偏正光+靈敏色片觀察

材料	Ti-6% Al-4%V-2%Sn
牌號	UNS R56620
標尺	20 μ m
處理工藝	鍛造
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	β轉變溫度945±10℃到955±5℃

材料	Ti-5% Al- -2%Sn-2%Zr-4%Mo-4%Cr
牌號	UNS R58650
標尺	10 μ m
處理工藝	-
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	β轉變溫度890℃

材料	Ti-5% Al-2%Sn-2%Zr-4%Mo-4%Cr
牌號	UNS R58650
標尺	20 μ m
處理工藝	鍛造
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	β轉變溫度890℃

材料	Ti-5% Al- 5%Mo-5%V-3%Cr-0.5Fe
牌號	Ti5553
放大倍數	200X
處理工藝	Wrought
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	偏正光+靈敏色片觀察

材料	Ti-5% Al- 5%Mo-5%V-3%Cr-0.5Fe
牌號	Ti5553
放大倍數	50X
處理工藝	表面處理
浸蝕劑	modified Weck’s reagent
備註	偏正光+靈敏色片觀察

材料	Ti-10%V-2Fe-3%Al
牌號	Ti-10-2-3
標尺	20 μ m
處理工藝	表面處理
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	β轉變溫度790~805℃

材料	Ti-15%V-3%Al-3%Cr-3%Sn
牌號	Ti-15-3
標尺	20 μ m
處理工藝	-
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	β轉變溫度750~770℃

材料	Ti-3%Al-8%V-6%Cr-4%Mo-4%Zr
牌號	UNS R58640
標尺	50 μ m
處理工藝	-
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	β轉變溫度730℃

材料	Ti-28%Al-2%Cr-2%Nb
牌號	（近 γ 渦輪葉片）
標尺	100 μ m
處理工藝	-
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	偏正光+靈敏色片觀察

材料	Ti-28%Al-2%Cr-2%Nb
牌號	（近 γ 渦輪葉片）
標尺	100 μ m
處理工藝	-
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	偏正光+靈敏色片觀察

材料	Ti-47.5%Al-1.5%Cr-0.75%W-0.5%Si-0.25%B
牌號	（近 γ 渦輪葉片）
標尺	50 μ m
處理工藝	鑄造
浸蝕劑	Kroll’s reagent
備註	TiAl合金

金相圖片作者與版權歸屬：George F. Vander Voort。

文章轉載：材易通