探索钛及钛合金的高清金相图谱：微观世界的奇妙之旅

2024-07-26科学

导语

钛是一种具有重要工业价值的金属，因其优异的物理和化学特性，在多个领域展现出广泛的应用前景。作为一种轻质高强的金属，钛的密度约为4.5克/立方厘米，比重接近铝，但却具有比铝更高的强度和更优秀的耐腐蚀性能，能够抵御大多数酸碱介质的侵蚀，尤其在海水等苛刻环境中表现出色。此外，钛还具备良好的生物相容性，因此在医疗器械领域有着广泛的应用，例如人工关节、牙科种植体等。

钛合金是将钛与其他金属元素（如铝、钒、铁等）合金化而成，通过合金化能够进一步优化其性能，如提高强度、耐腐蚀性等特性。在航空航天领域，钛合金由于其轻量化和高强度的特点，被广泛应用于飞机结构、发动机零部件等关键部位，能够显著减轻飞机重量，提升飞行性能和燃油效率。在化工工业中，钛合金常用于制造耐腐蚀设备和管道，如化工反应器、海水淡化设备等，能够长期稳定运行在酸碱性环境下，发挥重要作用。此外，钛合金也在体育用品制造中有所应用，如高尔夫球杆、自行车框架等，因其轻便且坚固的特性，为运动员提供了优秀的竞技表现和使用体验。总体而言，钛及其合金以其卓越的性能和多样的应用领域，为现代工业和科技领域带来了重要的技术进步和创新机会。

本文总结了钛及钛合金的高清金相组织图谱，为我们揭示了钛合金材料微观结构的奥秘。

钛合金的金相组织 01

钛合金的金相组织通常涉及以下几种主要相:

α相(Alpha相):这是钛合金中最稳定的相，具有良好的塑性和韧性。在低温下，大部分的钛合金都是以α相存在。
B相(Beta相):在高温下，一些钛合金会转变为β相，这种相具有较高的强度和硬度。B相的稳定性随着合金中B型元素的含量增加而增强，如钒、铝等。
α+β相:某些钛合金在室温下具有α相和β相的共存状态，这种组织既保留了α相的塑性和韧性又具有B相的高强度和硬度特性。
w相(Omega相):这是一种高压相，只在极端条件下(如高压高温)才会出现，通常在合金加工过程中不稳定。
混合相:除了以上主要相外，钛合金中还可能存在一些其他的混合相或亚稳相，这些相的存在状态会受到合金成分、热处理条件等因素的影响。

这些相的存在和比例对钛合金的力学性能、耐腐蚀性能以及加工性能等都有重要影响，因此金相分析对于钛公金材料的研究和应用具有重要意义。

金相制样指南 02

制备钛合金金相样品的关键要点包括以下几个步骤:

样品选择:选择代表性的钛合金样品，确保样品表面平整、无明显缺陷或损伤。
切割和磨削:与其他金属相比，钛金属导热率较低，切割试样必须采用水冷防止局部过热，使用高速切割工具或线切割机将钛合金样品切割成适当大小的块状或片状，还需要减小切割片的切割速率和进给速率。然后通过磨削、打磨等工艺使样品表面平坦、光滑，以便后续的金相分析和观察
粗磨和细磨:使用逐渐细化的砂轮或研磨纸对样品进行粗磨和细磨，以去除切割过程中产生的热变形区和划痕，同时保持样品表面的平整度和平行度。

镜面抛光:将样品表面进一步抛光至镜面光洁度，以确保在金相显微镜下观察时能够清晰分辨务种金相组织和晶粒结构。抛光过程中应控制抛光时间和压力，避免样品表面过度热损伤或形成伪相。
腐蚀和脱脂:根据具体需要，可以选择合适的腐蚀剂(如Kroll'sreagent)对样品进行腐蚀处理，以显现出不同金相组织的边界和形貌。腐蚀后需进行脱脂处理，去除腐蚀剂残留物，避免对金相分析结果的干扰。

清洗和干燥:最后，使用去离子水或乙醇等清洁剂彻底清洗样品表面，确保无杂质存在。随后将样品放置在通风处自然干燥或使用低温烘干设备干燥，以防止水分残留和氧化。

钛及钛合金金相图 04

试剂

Kroll's Reagent:

100mL 蒸馏水、1-3mL HF、2-6mL HNO3

Modified Weck’s Reagent:

100mL 蒸馏水、25mL乙醇、2g NpFHF

材料	工业纯钛
牌号	Grade 2(UNS R50400)
标尺	100 μ m
处理工艺	1038℃退火
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	正交偏光+灵敏色片观察

材料	工业纯钛
牌号	Grade 4(UNS R50700)
标尺	50 μ m
处理工艺	704℃退火
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	纵截面

材料	工业纯钛
牌号	Grade 2(UNS R50400)
标尺	100 μ m
处理工艺	轧制
浸蚀剂
备注	正交偏光观察

材料	工业纯钛
牌号	Grade 2(UNS R50400)
标尺	100 μ m
处理工艺	轧制
浸蚀剂
备注	正交偏光观察

材料	Ti-0.2%Pd
牌号	UNS R52400
标尺	100 μ m
处理工艺
浸蚀剂
备注	正交偏光观察

材料	工业纯钛（内部）
牌号	Grade 2(UNS R50400)
标尺	100 μ m
处理工艺	轧制
浸蚀剂	Mod. Weck’s reagent
备注	纵截面，正交偏光+灵敏色片观察

材料	工业纯钛（边部）
牌号	Grade 2(UNS R50400)
标尺	100 μ m
处理工艺	轧制
浸蚀剂	Mod. Weck’s reagent
备注	纵截面，正交偏光+灵敏色片观察

材料	工业纯钛
牌号	Grade 4 (UNS R50700)
标尺	50 μ m
处理工艺	704℃退火
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	纵截面，明场观察

材料	工业纯钛
牌号	Grade 4 (UNS R50700)
标尺	100 μ m
处理工艺	退火
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	横截面，偏振光+灵敏色片观察

材料	工业纯钛
牌号	Grade 4 (UNS R50700)
标尺	100 μ m
处理工艺	退火
浸蚀剂
备注	横截面，热染色+偏振光+灵敏色片观察

材料	Ti-5%Al-2.5%Sn
牌号	UNS R54520
标尺	50 μ m
处理工艺
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	横截面，偏振光观察

材料	Ti-3%W
标尺	20 μ m
处理工艺	加热至966℃，保温15分钟，油淬
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	实验材料

材料	Ti - 0.6% Si
标尺	100 μ m
处理工艺	加热至966℃，保温15分钟，水淬
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	偏振光观察

材料	Ti - 0.6% Si
标尺	20 μ m
处理工艺	加热至966℃，保温15分钟，水淬
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	DIC照明观察

材料	Ti-3%W
牌号	-
标尺	50 μ m
处理工艺	加热至966℃，油淬
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	实验材料

材料	Ti-3%Cr
牌号	-
标尺	20 μ m
处理工艺	表面热处理
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	实验材料

材料	Ti-3%Cr
牌号	-
标尺	20 μ m
处理工艺	加热至1038℃，保温15分钟，水淬
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	实验材料，明场照明观察

材料	Ti-3%Cr
牌号	-
标尺	20 μ m
处理工艺	加热至1038℃，保温15分钟，水淬
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	实验材料，DIC照明观察

材料	工业纯钛
牌号	-
标尺	50 μ m
处理工艺	表面形成氢化钛
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	The fracture face at mid thickness

材料	工业纯钛
牌号	-
标尺	20 μ m
处理工艺	表面形成氢化钛
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	the fracture at the inner diameter

材料	Ti-8%Al-1%Mo-1%V
牌号	Ti-811, UNS R54810
标尺	20 μ m
处理工艺	-
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	坯件

材料	Ti-8%Al-1%Mo-1%V
牌号	Ti-811, UNS R54810
标尺	20 μ m
处理工艺	轧制
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	纵截面

材料	Ti-8Al-1%Mo-1%V
牌号	Ti-811, UNS R54810
标尺	20 μ m
处理工艺	加热至1010℃，保温1h，空冷，再加热至593℃，保温8h，空冷。
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	横截面， β 转变温度1040℃

材料	Ti-2.25% Al-11% Sn-5% Zr-1% Mo-0.25% Si
牌号	IMI 679
标尺	20 μ m
处理工艺	加热至1010℃，保温1h，空冷，再加热至593℃，保温8h，空冷。
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌号	Ti-6242
标尺	100 μ m
处理工艺	铸造
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌号	Ti-6242
标尺	50 μ m
处理工艺
浸蚀剂	aqueous 0.5% HF
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌号	Ti-6242
标尺	50 μ m
处理工艺
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌号	Ti-6242
标尺	20 μ m
处理工艺	锻造
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌号	Ti-6242
标尺	20 μ m
处理工艺	轧制
浸蚀剂	aqueous 0.5% HF
备注	横截面，近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌号	Ti-6242
标尺	20 μ m
处理工艺	加热至950℃，保温1h，风冷，再加热至593℃，保温8h，空冷，轧制。
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	β 转变温度995±15℃

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌号	Ti-6242
标尺	50 μ m
处理工艺	加热至977℃，保温1h，风冷，再加热至593℃，保温8h，空冷，轧制。
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo
牌号	Ti-6242
标尺	10 μ m
处理工艺	加热至977℃，保温1h，风冷，再加热至593℃，保温8h，空冷，轧制。
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo-0.1%Si
牌号	Ti-6242Si，UNS R54620
标尺	20 μ m
处理工艺	alpha/beta forged at 954 ºC， alpha/beta annealed (969 ºC-2 h, air cool)
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	β转变温度995±15℃

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo-0.1%Si
牌号	Ti-6242Si，UNS R54620
标尺	20 μ m
处理工艺	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
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo-0.1%Si
牌号	Ti-6242Si，UNS R54620
标尺	20 μ m
处理工艺	beta forged at 1038 ºC， beta annealed (1024 ºC-2 h, air cool)
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-2% Mo-0.1%Si
牌号	Ti-6242Si，UNS R54620
标尺	20 μ m
处理工艺	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
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	近 α 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo
牌号	Ti-6246，UNS R56260
标尺	10 μ m
处理工艺	(alpha-beta forged billet)
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金，β转变温度935℃

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo
牌号	Ti-6246，UNS R56260
标尺	20 μ m
处理工艺	(beta forged billet)
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo
牌号	Ti-6246，UNS R56260
标尺	50 μ m
处理工艺	-
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金，PWA1216

材料	Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo
牌号	Ti-6246，UNS R56260
标尺	20 μ m
处理工艺	-
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金，PWA1216

材料	Ti-6% Al-4%V
牌号	UNS R56401
标尺	20 μ m
处理工艺	704℃退火
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金，β转变温度975±15℃

材料	Ti-4%Zr
牌号
标尺	200 μ m
处理工艺	铸造
浸蚀剂	Weck’s reagent
备注	α + β 钛合金，偏振光+灵敏色片观察

材料	Ti-6% Al-4%V
牌号	UNS R56401
标尺	200 μ m
处理工艺	铸造
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	α + β 钛合金，偏振光观察

材料	Ti-6% Al-4%V
牌号
标尺	100 μ m
处理工艺	铸造
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	α + β 钛合金，偏振光+灵敏色片观察

材料	Ti-6% Al-4%V
牌号	UNS R56400
标尺	20 μ m
处理工艺	锻造
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金，β转变温度995±15℃

材料	Ti-6% Al-4%V
牌号	UNS R56400
标尺	50 μ m
处理工艺	加热至950℃，水淬
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金

材料	Ti-6% Al-4%V
牌号	UNS R56400
标尺	100 μ m
处理工艺	加热至1010℃，缓冷
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金

材料	Ti-6% Al-4%V
牌号	UNS R56400
标尺	100 μ m
处理工艺	Overheated wrought
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	α + β 钛合金

材料	Ti-6% Al-4%V
牌号
标尺	100 μ m
处理工艺	激光焊接
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	α + β 钛合金，偏正光+灵敏色片观察

材料	Ti-6% Al-4%V-2%Sn
牌号	UNS R56620
标尺	20 μ m
处理工艺	锻造
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	β转变温度945±10℃到955±5℃

材料	Ti-5% Al- -2%Sn-2%Zr-4%Mo-4%Cr
牌号	UNS R58650
标尺	10 μ m
处理工艺	-
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	β转变温度890℃

材料	Ti-5% Al-2%Sn-2%Zr-4%Mo-4%Cr
牌号	UNS R58650
标尺	20 μ m
处理工艺	锻造
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	β转变温度890℃

材料	Ti-5% Al- 5%Mo-5%V-3%Cr-0.5Fe
牌号	Ti5553
放大倍数	200X
处理工艺	Wrought
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	偏正光+灵敏色片观察

材料	Ti-5% Al- 5%Mo-5%V-3%Cr-0.5Fe
牌号	Ti5553
放大倍数	50X
处理工艺	表面处理
浸蚀剂	modified Weck’s reagent
备注	偏正光+灵敏色片观察

材料	Ti-10%V-2Fe-3%Al
牌号	Ti-10-2-3
标尺	20 μ m
处理工艺	表面处理
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	β转变温度790~805℃

材料	Ti-15%V-3%Al-3%Cr-3%Sn
牌号	Ti-15-3
标尺	20 μ m
处理工艺	-
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	β转变温度750~770℃

材料	Ti-3%Al-8%V-6%Cr-4%Mo-4%Zr
牌号	UNS R58640
标尺	50 μ m
处理工艺	-
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	β转变温度730℃

材料	Ti-28%Al-2%Cr-2%Nb
牌号	（近 γ 涡轮叶片）
标尺	100 μ m
处理工艺	-
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	偏正光+灵敏色片观察

材料	Ti-28%Al-2%Cr-2%Nb
牌号	（近 γ 涡轮叶片）
标尺	100 μ m
处理工艺	-
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	偏正光+灵敏色片观察

材料	Ti-47.5%Al-1.5%Cr-0.75%W-0.5%Si-0.25%B
牌号	（近 γ 涡轮叶片）
标尺	50 μ m
处理工艺	铸造
浸蚀剂	Kroll’s reagent
备注	TiAl合金

金相图片作者与版权归属：George F. Vander Voort。

文章转载：材易通