TC4合金β转变温度的测定及研究

李文杰

(无锡透平叶片有限公司检测中心，无锡  214023)

摘  要：β转变温度是制定锻造及热处理工艺的重要参数。本文描述TC4合金的β转变温度的试验过程，用宏观金相分析及微观用图象分析方法对α相含量进行定量分析，还分析了影响β转变温度的诸多因素，最后科学准确的确定了β转变温度为985℃。

关键词：TC4、Tβ、初生α、宏观组织

1  引言

1.1 β转变温度测定的原理

α-β型合金在热变形、退火和固溶时效状态下都含有一定数量的α相。在加热过程中，随着温度的升高，钛合金中的α相的含量越来越少，β相的含量越来越多。达到某一临界温度后，钛合金将全部转变为β相组织。在该临界温度下保持一定时间后快速淬火，可以得到没有α相的针状马氏体或亚稳定β相组织。通过观察淬火试样的金相组织，就可以判断出TC4全部转变为β相的最低温度。

1.2 测定β转变温度的现实意义

（1）β转变温度在TC4合金锻造中的意义

TC4是双相合金钢，在锻造过程中，不同的锻造温度锻造出来的锻件将获得不同的组织，最后将获得不同的物理化学性能。TC4锻造主要有α+β锻造、近β锻造、准β锻造、β锻造四种，这些锻造温度都是根据β转变温度来确定的，例如，α+β锻造就是在β转变温度以下20℃~50℃加热进行锻造，获得双态组织或等轴组织[3]。

（2）β转变温度在热处理中的意义

为了改善锻件的综合性能，TC4锻件锻造后一般还要进行后续热处理，该热处理工艺也是根据β转变温度来制定的，例如普通退火一般是合金在β转变温度以下20℃～25℃的温度下加热后空冷。例如等温退火是在合金的β转变温度以下20℃～160℃的温度下加热，随后转移到合金的β转变温度以下350℃~450℃的炉中保温后空冷等[4]。

2  试验过程及分析

2.1 化学成分

对该批TC4合金进行化学成分分析，结果如表1所示。

2.2 试样制备

在同一批原材料上切取试样的尺寸为10X10mm，高为15mm的长方形金相试样6个。切取试样的方法不应改变其原始显微组织。

2.3 热处理炉子准备

采用电炉加热，电炉应符合HB5354中第2章表2对1类设备规定的要求，其炉温均匀性为±3℃。试样加热时，为确保炉温均匀性建议采用耐热不锈钢制保温罩。

2.4 试验条件

试样在选定的温度下保温30min；淬火液体积应不小于25L，淬火水温不高于20℃；淬火延迟时间不超过5s。文献[1]显示β稳定元素少的合金（如TC4），β→α转变快，时间大于2S时α就会析出。

2.5 试样热处理及金相分析

（1）根据HB6632.2-1992提供的数据显示，TC4的β转变温度一般在（980～1010）℃范围内，所以初定为6个加热温度点，每个加热温度点之间的间隔为5℃，试验从低温往高温做。给指定的电炉加热，加热温度设定为980℃，到温后取一个已加工好的试样放入炉子中加热，到温后保温30min，时间到了迅速取出试样，将其放入水中，从取出到入水的间隔时间不超过5s。

（2）试样完全冷却到水温后取出，车掉试样表面的污染层（至少车掉2mm），然后磨制金相试样，试样以最后基本无划痕为好，最后将试样进行腐蚀，腐蚀剂采用：2％HF+4％HNO3+94％H2O（体积百分数）。腐蚀好后先进行宏观观察，用相机对试样的腐蚀面进行拍摄如图1所示。可见该温度下试样的宏观组织比较细小、均匀。

（3）调高炉温至985℃，进行以上的试验过程，腐蚀后的宏观组织见图2所示，可见在该温度下试样的宏观组织显然和图1有较大的差别，表现为组织更粗且呈“鱼鳞”状。

（4）调高炉温至990℃，进行上述试验过程，腐蚀后的宏观组织见图3所示，可见其组织的宏观

形貌和图2相近（按上述方法依次加热到995℃、1000℃、1005℃三个温度，试样处理后宏观组织与图3相近）。

图1  980℃宏观组织              图2  985℃宏观组织                 图3  990℃宏观组织

（5）在Leica显微镜上观察分析制备好的金相试样，在试样表面上沿中心和二分之一半径部位观察5个以上的视野，从中选出代表性的拍照如图4所示。图中箭头所指“圆状”质点即α相，在电脑软件上勾画出α相后用图象分析法对的α相含量进行测定，结果为3.5％。在软件上测定该试样的β晶粒尺寸为100μm。

（6）对985℃热处理试样进行显微金相分析，典型的照片如图5所示。用上述图象分析法进行分析，测得α相含量为2.2％。根据HB6623.2-1992规定β转变温度为5个视野中初生的α相含量都小于3％的试样代表的温度[2]。结果表明985℃就是该批材料的β转变温度（以下都称Tβ）。在电脑软件上测定该试样的β晶粒尺寸为550μm。

（7）对990℃热处理试样进行显微金相分析，典型的显微组织如图6示，经上述图象分析法分析α相含量为1.0％。在软件上测定该试样的β晶粒尺寸为600μm。（对995℃、1000℃、1005℃热处理的试样进行显微金相分析，观察α相含量都为0）。

图4  980℃处理后显微组织                          图5  985℃处理后显微组织

图6  990℃处理后显微组织

3  分析与讨论

（1）该试验对电炉的炉温均匀性要求比较高，金相试样尺寸也要满足要求，不能太小，要保证显微金相分析时有足够的观察面，从而使最后的结果更准确。

（2）出炉淬水时要严格控制转移时间，转移时间不能超过5s，时间过长会得到更多的α相，从而影响最终的判断结果。转移时间越短，分析结果越可靠。

（3）测定初生α相含量时，采用图象分析方法来测定初生α相含量，相对于比较法，准确度有较大的提高。

（4）随着温度的增加β晶粒长大，Tβ点和高于该温度的试样，β晶粒尺寸较大，所以宏观能看到粗大的“鱼鳞”状半清晰或清晰晶（多次的试验都发现该现象）。

（5）材料的化学成分对Tβ有重要的影响，一般来说，α稳定元素（如O、N、C、Al）将扩大α相区，从而提高Tβ，而β稳定元素（如V、Cu、Si、Fe、H）将缩小α相区，降低Tβ。

4  结论

1）在确定β转变温度的过程中，我们要严格控制试验的条件，如试样尺寸、炉子均匀性、加热方法及淬火转移时间。按规范要求控制这些试验条件才能使试验结果更准确。

2）测定α相含量时，采用了电脑软件进行图象分析分析，较准确地确定了初生α相含量，最后确定β转变温度为985℃。

3）在Tβ及高于Tβ以上温度的金相试样，由于β晶粒尺寸较大，低倍下能看到“鱼鳞”状清晰晶或半清晰晶。