差示掃描量熱法測(cè)定TA15/TC4鈦合金的相變溫度

鈦合金相變溫度是指在平衡狀態(tài)下α相剛好完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟臏囟取＞_測(cè)定鈦合金的相變溫度對(duì)鈦及鈦合金加工和熱處理具有非常重要的意義，是制定最佳的材料熱加工變形參數(shù)和熱處理規(guī)范的依據(jù)。差示掃描量熱法可以記錄加熱或冷卻過程中熱流的變化，通過熱流變化分析出鈦合金的相變溫度。它是一種有效測(cè)試鈦合金相變溫度的方法，具有快速、高效、易于操作等特點(diǎn)。常規(guī)的DSC一般最高使用溫度在700℃左右，而近些年高靈敏度高溫DSC的發(fā)展及應(yīng)用使得高溫測(cè)試鈦合金相變溫度成為可能，并使其測(cè)得的準(zhǔn)確性得到大幅提高。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的儀器為METTLER公司的TGA/DSC3/1600LF至尊型同步熱分析儀，可使用溫度范圍為：室溫～1600℃。實(shí)驗(yàn)所用的樣品是分別從四種不同鈦合金TC27、TA15、TC4、TB6棒材上切取φ6mm×1～2mm的小圓柱。樣品編號(hào)及相變溫度如表1所示。實(shí)驗(yàn)過程中使用容積為150μL的鉑金坩堝，升溫速率20℃/min，高純Ar氣保護(hù)50mL/min，實(shí)驗(yàn)溫度為30～1200℃。利用同步熱分析儀得到四種不同鈦合金在升溫過程的TGA/DSC曲線，通過曲線分析出四種不同鈦合金的相變溫度。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1 樣品信息

2.1 TC27鈦合金

TC27鈦合金名義成分為Ti-5Al-4Mo-6V-2Nb-1Fe，是一種近β鈦合金。圖1為TC27鈦合金的TGA/DSC測(cè)試曲線。圖譜均分為兩部分，曲線橫坐標(biāo)為溫度（℃），其中上半部分的實(shí)曲線為TGA，縱坐標(biāo)為重量百分（%）；下半部分的實(shí)曲線為熱流曲線，縱坐標(biāo)為歸一化后的熱流值（W/g）；虛曲線為DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，縱坐標(biāo)W/g·℃。在測(cè)試范圍內(nèi)，TG重量基本沒有變化，因此樣品在整個(gè)過程中沒有發(fā)生氧化反應(yīng)。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，應(yīng)是由樣品釋放殘余應(yīng)力引起的；而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現(xiàn)吸熱峰，約在900℃左右結(jié)束，這是由于相變是一個(gè)持續(xù)的過程。參考標(biāo)準(zhǔn)HB 6623.1-92將DTA曲線對(duì)溫度的一階倒數(shù)的峰值定義為鈦合金的相變溫度。圖1也給出了DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，曲線上有明顯的峰，峰值為869.24℃，可推斷TC27鈦合金的相變溫度為869.24℃。

圖1 TC27鈦合金的TGA/DSC曲線

2.2 TA15鈦合金

TA15鈦合金名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是一種近α鈦合金。圖2為TA15鈦合金的TGA/DSC測(cè)試曲線。同樣，在測(cè)試范圍內(nèi)TG重量基本沒有變化，因此樣品在整個(gè)過程中沒有發(fā)生氧化反應(yīng)。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，應(yīng)也是由樣品釋放殘余應(yīng)力引起的；而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現(xiàn)吸熱峰，約在1020℃左右結(jié)束。圖2也給出了DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，曲線上有明顯的峰，峰值為992.87℃，同理可推斷TA15鈦合金的相變溫度為992.87℃。

圖2 TA15鈦合金的TGA/DSC曲線

2.3 TC4鈦合金

TC4鈦合金名義成分為Ti-6Al-4V，是最為常用的α+β鈦合金之一。圖3為TC4鈦合金的TGA/DSC測(cè)試曲線。同樣，在測(cè)試范圍內(nèi)TG重量基本沒有變化，因此樣品在整個(gè)過程中沒有發(fā)生氧化反應(yīng)。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，應(yīng)也是由樣品釋放殘余應(yīng)力引起的；而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現(xiàn)吸熱峰，約在1020℃左右結(jié)束。圖3也給出了DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，曲線上有明顯的峰，峰值為977.60℃，同理可推斷TC4鈦合金的相變溫度為977.60℃。

圖3 TC4鈦合金的TGA/DSC曲線

2.4 TB6鈦合金

TB6鈦合金成分為Ti-10V-2Fe-3Al，是一種近β鈦合金。圖3為TB6鈦合金的TGA/DSC測(cè)試曲線。同樣，在測(cè)試范圍內(nèi)TG重量基本沒有變化，因此樣品在整個(gè)過程中沒有發(fā)生氧化反應(yīng)。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現(xiàn)放熱現(xiàn)象，應(yīng)也是由樣品釋放殘余應(yīng)力引起的；而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現(xiàn)吸熱峰，約在850℃左右結(jié)束。圖3也給出了DSC曲線的一階導(dǎo)數(shù)，曲線上有明顯的峰，峰值為804.29℃，同理可推斷TB6鈦合金的相變溫度為804.29℃。

圖4 TB6鈦合金的TGA/DSC曲線

3、討論

由于近些年DSC可使用溫度的范圍進(jìn)一步向高溫?cái)U(kuò)展，使得一些相變溫度很高的鈦合金如TA15、TC4鈦合金，也可以通過差示掃描量法來測(cè)得。同時(shí)也因?yàn)镈SC測(cè)試精度的逐步提高、以及眾多研究者對(duì)此法經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)于像TC27比較微弱的鈦合金的相變過程通過基線校準(zhǔn)也能分析出很好的測(cè)試結(jié)果。金相法是測(cè)試鈦合金相變溫度最為常用的方法，對(duì)四種不同鈦合金相變溫度采用金相法測(cè)得結(jié)果如表2所示。通過對(duì)比差示掃描量法和金相法的測(cè)試結(jié)果，可以看出兩種測(cè)試方法的結(jié)果相當(dāng)接近，說明差示掃描量熱法也是一種有效的測(cè)試鈦合金相變溫度的方法，而且比金相法操作簡便、快速高效，可以在未知相變溫度區(qū)間測(cè)定新的合金相變溫度時(shí)體現(xiàn)出絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

表2 金相法測(cè)試結(jié)果

4、結(jié)論

采用差示掃描量熱法測(cè)定四種不同鈦合金的相變溫度，其測(cè)試曲線體現(xiàn)出類似的規(guī)律，參考標(biāo)準(zhǔn)HB 6623.1-92將DTA曲線對(duì)溫度的一階倒數(shù)的峰值定義為鈦合金的相變溫度，因此對(duì)DSC曲線求一階導(dǎo)數(shù)，峰值位置即為相變溫度。由于目前金相法是鈦合金中最為常用的方法，而通過差示掃描量熱法和金相法測(cè)試結(jié)果，可知兩者的結(jié)果相當(dāng)接近，說明差示掃描量熱法也是一種有效的測(cè)試鈦合金相變溫度的方法。