彩色金相技术在钛合金织构分析中的应用

沈桂琴  吕贵喜  陈发宝

(北京航空航天大学，北京  100083)

摘  要：通过彩色金相技术在钛合金织构分析中的应用研究，结果证明了TC4钛合金在特定的阳极化条件下，具有基面取向的α相为金黄色，其它取向的α相为洋红色，β相为紫色，并找到了最佳彩色衬度工艺，由此表明，阳极化彩色金相技术是分析钛合金织构的一个直观而简便的方法。

关键词：彩色金相技术；钛合金织构

金属材料中的织构用一般光学金相技术无法研究，需要用X射线、中子衍射等方法才能确定，这些方法设备复杂，费时费力且不直观，而阳极化彩色金相技术则可显示钛合金中具有基面取向的α相的多少、分布和形貌，能为测定(1120)，(lO10)和(1l20)、[000l]织构提供一个简便方法，下面就对这种应用进行探讨。

1．阳极化工艺

    需阳极化的试样首先要进行电解抛光，使试样表面光亮如镜没有玷污，否则将影响阳极化效果。以高氯酸—冰醋酸溶液为电解液，阳极化溶液是草酸、柠檬酸、正磷酸、乳酸混合液…，阳极化设备可采用一般简单电解抛光设备，试样表面固定不动，与阴极保持15～20mm距离，因阳极化过程为放热反应，所以电解液要充分冷却。采用彩色胶片拍摄，用强反差的黑胶片亦可。

    本实验中试样取自TC4钛合金锻件的腹板部分，由于处于激烈变形区域，所以有着严．重的择优取向。试样表面尺寸1～2cm²阳极化工艺；电压为50V，电流为0.4～0.6Α/cm²，时间为20s。从一块试样的三个剖面上具有代表性的部位进行拍摄，从拍摄的照片中可以看出：α相呈黄色和洋红色两种，Β相为紫色，在横向剖面上有大量黄色晶粒，而纵向剖面和压下面上黄色晶粒较少。

2．黄色α相的鉴定及结果

    资料表明，黄色α相具有基面取向。为了证实该说法，用偏光、硬度、X光衍射等方法做了进一步的验证实验。

    众所周知，偏光检验是确定基面取向的一种标准方法，对于密排六方晶格的相，当垂直于基面观察时是光学各向同性的，在正交偏振光下观察，当转动载物台360°时，具有基面取向的α相在所有角度下色彩不变，而其它取向的晶粒，由于是光学各向异性的，会出现色彩的变化。根据这一原理对阳极化后的试样进行了偏光观察，结果发现：在正交偏振光下观察，转动载物台时，黄色α相色彩(加入灵敏色片)始终不变；而洋红色α相色彩不同，随着转动载物台，色彩不断变化，因此通过偏光检验，证明黄色α相具有基面取向。

    继而对两种颜色的。α相进行了显微硬度的测定，每种颜色α相各测五个晶粒，求平均值，黄色α相H=4214MPa，洋红色α相H=3258.5MPa，两种α相显微硬度差值高达955.5MPa。对于密排六方晶格存在着一个特征取向<0001>方向，打硬度时，若力轴方向恰好为<000l>方向，三个滑移系最不易开动，故(0001)面硬度值最高。实验证明：黄色α相硬度值高于洋红色α相，进一步证明了黄色α相确为基面取向。

    对于拍摄彩色金相照片的试样又做了3个剖面的反极图。由于模锻工艺的复杂性，首先用圆棒锻成毛坯，再用毛坯锻成模锻件，前者锻造时主流动方向为纵向，而毛坯和模锻件长度尺寸相近，因此其主流动方向为横向，这样造成锻件织构的复杂性，多重性。对反极图分析发现：压下面(1120)面的极点密度最高，纵向剖面上(1010)面的极点密度最高，而横向剖面上(0001)面的极点密度占全体的44％，这均使得晶粒的(0001)面平行于横向剖面。彩色金相照片正是横向剖面上黄色α相最多，照片及反极图吻合得很好，也证明了黄色α相确实具有基面取向。另两剖面上也有黄色α相但较少，和反极图也相符。分析表明：试样具有较强的(1120)[1010]、(1120)[0001]织构。

    通过以上3种方法的验证，黄色α相确实具有(0001)基面取向，用黄色α相的多少及分布可以表明(1120)[1010]及(1120)[0001]织构的梯度。

    进一步分析还可看出，纵向剖面上主要为(1120)[000l]织构，横向剖面主要为(1120)[1010]织构，剖面上黄色晶粒的尺寸、分布和数量，可清楚反映出以上两类织构的梯度，但压下面的黄色晶粒不能反映其基面织构的梯度，因为它是从某个深度上摄取的。彩色金相照片另外还告诉我们，(1120)[lOl0]及(1120)[000l]织构不仅产生在初生α相中(球状的)，在Β转变组织的次生α相(片状)中也大量存在。

3．阳极化参数对阳极化表面彩色的影响

    阳极化成膜是一个复杂的电化学过程，它受阳极化溶液、电压、电流、时间、温度以及材料本身的合金化等因素的影响。下面就是在同样溶液成份中对阳极化的电压等因素进行了研究。

    在电压试验(电压值50～75V)中发现：各种电压下试样上的α相均呈两种色彩，且重复性极好，随着电压的升高，基面取向的α相由黄色变为红色、蓝色、绿色；而其它取向的α相由洋红色变为绿色、黄色，呈有规律的变化，β相色彩变化规律性不强。

    另外，在一定电压条件下(电压值为50V)，进行了阳极化时间(15～60s)、电流密度(0.2～0.8Α·cm2)、材料(Tc4钛合金和TCll钛合金)的试验，结果发现，电流和时间的改变，仅仅引起阳极化颜色的深浅的变化，而不会改变其色彩。而不同的材料，由于形成膜的透明度不同，TCll合金阳极化后颜色比。TC4合金暗些，而色彩相同。

    总之，钛合金阳极化的色彩决定于电压值的大小，也就是说阳极化膜的厚度只随电压而变，其它因素影响较小。通过试验认为当电压为50V时，电流密度为0.4～0.6Α/cm²，时间为20s是最佳规范。此时基面取向的α相为金黄色，其它取向的。α相呈洋红色，β相为紫色，具有好的彩色衬度。而当电压为60V时，基面取向的α相呈红色，其它取向α相为绿色，β相为浅黄色，彩色衬度也可以。

    钛合金阳极化之所以使得基面取向的α相晶粒具有特殊色彩，是因为基面为密排六方晶格，是一具有独特性质的晶面，资料表明，阳极化时具有基面取向的晶粒电流密度低，膜的生成速度小，形成的膜也就薄，因此干涉色彩不同于其它取向的晶粒。

4．结论

    1．发展阳极化彩色金相技术是研究钛合金基面取向α相的尺寸、分布和数量的一个直观而简便的方法。

    2．用偏光、显微硬度、X射线衍射三种方法都证实了在一定条件下阳极化后的黄色α相具有基面取向。

    3．试样的纵向和横向剖面可用黄色晶粒表征(1120)[1010]织构及(1120)[0001]织构的梯度，而压下面则不能反映织构梯度。织构不仅发生在初生α相中，次生α相中也存在。

    4．钛合金阳极化后的色彩决定于阳极化电压。最佳彩色衬度工艺是：

    电压：50V电流密度：0.4～9.6Α/cm²时间：20s

    基面取向α相：金黄色；    其它取向α相：洋红色；  β相：紫色