文章编号：1004-0609(2010)S1-s0624-03

Ti-6Al-4V合金棒材α层厚度的测定

邵  军，朱玉香

 (宝鸡钛业股份有限公司，宝鸡 721014)

关键词：

金相法；α层厚度；Ti-6Al-4V合金；

中图分类号：TG 146.2　　     文献标志码：A

Determination of α-layer thickness for Ti-6Al-4V alloy bar

SHAO Jun, ZHU Yu-xiang

 (Baoji Titanium Industry Co., Ltd., Baoji 721014, China)

Abstract: The oxide layer on titanium and titanium alloys during heating is made of titanium dioxide and α-layer. The relationship among the heating temperature, heating time and α-layer thickness of Ti-6Al-4V alloy bars was determined by metallographical testing method. Then, the results were corrected by diffusion equaiton. The result shows that the α-layer thickness is less than 0.15 mm when the final products are heated.

Key words: metallographical method; α-layer thickness; Ti-6Al-4V alloy

钛材在加热过程中，表面会形成氧化层(膜)。不同的加热温度，氧化层的结构不同(图1)[^1-2]。本质上，氧化层由2部分组成：钛的氧化物和α层。氧化层与加热制度的关系见图2，但α层的厚度问题却未涉及。实际上，供货时棒材α层也必须去掉，所以，测定α层的厚度对制定棒材磨削工艺非常重要^[3]。

1  测试方法

将磨光的TC4棒材(d (10±0.005) mm)放置在电阻炉内(750, 850, 950 ℃)加热15~120 min。制备金相试样，在金相显微镜下观察，用显微镜标尺测定氧化层厚度，该氧化层的厚度包括了氧化膜脱落部分及α层厚度。

2  结果与分析

氧化层厚度与加热温度和保温时间的关系见图

图1  工业纯钛在不同温度下的氧化膜结构示意图

Fig.1  Schematic diagram of dioxide layer of titanium heated at different temperatures

3，TC4在950 ℃保温2 h后的金相组织见图4。从图4中可以看到正常的两相(α＋β)钛合金组织、α层和表面的氧化膜^[4]。

图2  TC4合金在碳硅棒炉中污染层深度与加热温度的关系

Fig.2  Relationship between oxide layer thickness and temperature of Ti-6Al-4V alloy

图3  加热温度、保温时间与氧化层厚度的关系

Fig.3  Relationship among heating temperature, time and oxide layer thickness

图4  TC4棒材950 ℃/2 h显微组织

Fig.4  Microstructure of Ti-6Al-4V at 950 ℃/2 h

由图3可见：在750~950 ℃加热2 h，氧化层厚度不超过0.15 mm。在较高温度加热形成的氧化层达到一定厚度就会自然脱落^[5]。在950 ℃加热2 h的试样中一部分氧化层已经脱落，实际过程是：α层向中心移动，α层外端转化成氧化膜逐渐脱落，α层厚度变化不大^[6]。

氧分子由表面向中心的运动是一个扩散过程。将TC4合金视为均匀介质，其扩散方程如下:

u_t=a²?₃u                                    (1)

式中：u是扩散速度，D是扩散系数，?是拉普拉斯算符。

把试样看作半无限大的物体，刚扩散方程的解为

                     (2)

式中：c₀为合金中原始氧浓度，c_s=14.3%(质量分数)，c_x为在温度T暴露时间t后，距金属/氧化物界面为x处的氧浓度，erf为误差函数。氧的扩散系数可以表示为

式中：Q为扩散激活能，R为摩尔气体常数，T为绝对温度。

在温度、时间和深度x一定的情况下，式(2)中的c_x，c_s，c₀都是一定的，公式左端是常数，公式右端误差积分中的因子也是常数，即：

                                  (3)

两边取对数，则有

2lg x=k′+lg D+lg t                             (4)

式(4)说明在温度一定时，氧化层厚度x和时间t 呈双对数关系。图5是不同温度的氧化层厚度—时间双对数曲线。可见：750 ℃和950 ℃的数据和拟合直线符合较好，850 ℃数据和拟合直线有些差异，考虑到金相法测量本身不精确，这样的误差是可以接受的。

4  结论

1) 氧化层的厚度随加热温度的升高、保温时间的延长而增加，与保温时间呈双对数关系。

2) 相变点以下加热轧制，棒材的氧化层厚度不超过0.15 mm。

图5  不同温度处理时TC4棒材氧化层厚度—时间双对数曲线

Fig.5  Bi-logarithm curve of oxide layer thickness—time of TC4 bar heated at different tempeatures: (a) 750 ℃; (b) 850 ℃; (c) 950 ℃

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(编辑 杨 兵)

通信作者：邵 军，高级工程师；电话：0917-3218489；E-mail：shaojun@baoti.com