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)
摘 要:钛材表面形成的氧化层是由钛的氧化物(TiO2)和α层两部分组成的。讨论了用金相法测定TC4合金棒材的α层厚度时,加热温度、加热时间与α层厚度的关系,采用扩散方程对该试验数据进行了校对验算。从而得出:在成品生产工序中,TC4合金棒材的α层厚度一般不超过0.15 mm。
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
![](/web/fileinfo/upload/magazine/11365/275385/image002.jpg)
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]。
![](/web/fileinfo/upload/magazine/11365/275385/image004.jpg)
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
![](/web/fileinfo/upload/magazine/11365/275385/image006.jpg)
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
![](/web/fileinfo/upload/magazine/11365/275385/image008.jpg)
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:
ut=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,cs=14.3%(质量分数),cx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cx,cs,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 ℃
REFERENCES
[1] 李成功, 傅恒志, 于 翘. 航空航天材料[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002: 57-65.
LI Cheng-gong, FU Heng-zhi, YU Qiao. Aerospace material [M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2002: 57-65.
[2] 李青云, 王道隆, 刘雅庭. 稀有金属材料加工手册[M]. 冶金工业出版社, 1984: 50.
LI Qing-yun, WANG Dao-long, LIU Ya-ting. Handbook of rare metal materials manufacturing [M]. Metallurgical Industry Press, 1984: 50.
[3] 王金友, 葛志明, 周彦邦. 航空用钛合金[M]. 上海: 上海科技出版社, 1985: 216.
WANG Jin-you, GE Zhi-ming, ZHOU Yan-bang. Aerospace titanium alloys [M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Publishing House, 1985: 216.
[4] SCOTT W W Jr, ROYER R, WELSCH G, COLLINGS E W. Materials properties handbook: Titanium alloys [M]. ASM International, 1994.
[5] 张 钧, 李 东. 高温钛合金中的α2相[M]. 沈阳: 东北大学出版社, 2002: 73.
ZHANG Jun, LI Dong. The α2 phase of high temperature alloys [M]. Shenyang: Northeast University Publishing House, 2002: 73.
[6] 万晓景, 曹名洲, 辛公春. Ti-679合金在高温空气中氧的玷污[J]. 金属学报, 1979, 15: 563.
WAN Xiao-jing, CAO Ming-zhou, XING Gong-chun. Oxygen’s contamination of Ti-679 at high temperature [J]. Metal Journal, 1979, 15: 563.
(编辑 杨 兵)
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