LAB’NOTE

钛及钛合金金相制备

介绍

钛是地球上储量相对丰富的金属,但其提取和纯化并不容易。18世纪末,矿物学家威廉·格雷戈发现了它,但直到1939年,威廉·贾斯汀·克罗尔才开发出一种工业制造工艺。因此,钛的主要缺点之一是其制取成本仍然相对较高。


元素符号:Ti
原子序数:22
密度:4.5
摩尔质量:47.9 g.mol-1
熔点:1670 °C

冶炼过程

钛的制造工艺以其发明者的名字命名:克罗尔工艺,该工艺由两个阶段组成。

  • 第一阶段是氧化钛与碳和氯反应(称为“碳氯化反应”),以获得四氯化钛。这个反应可以写成 :
    Premiere étape élaboration titane
  • 第二阶段通过镁还原TiCl4得到固体钛:
    Deuxième étape élaboration titane

获得的钛呈多孔固体形式,称为“海绵钛”。然后将该海绵钛熔化以获得纯钛或期望的钛合金(在添加到熔融金属中之后)。钛再被固化成钛锭。

这些铸锭可通过机加工或锻造转化为半成品(板坯、坯料、坯料),然后通过各种操作(轧制、锻造、挤压等)转化为成品(棒材、卷材、板材等)。

性能和应用

钛是一种非常了不起的金属。其具有优异的机械性能(良好的疲劳强度、延展性、耐热性和耐低温性、可接受的抗蠕变性等),密度约为钢密度的60%(d钛=4.5<钢≈ 7.8)。因此,其比强度(机械强度/密度比)高于铝或钢。

除其非常好的密度外,即使在最具腐蚀性的环境中,钛也具有优异的耐腐蚀性(高于不锈钢)。这种特性加上其生物相容性和低弹性模量(110000MPa),使其成为医疗领域的理想金属。

应注意,可对钛进行热处理和机械处理,以改变其物理-化学性质。。

四种不同的钛合金分类::

非合金钛
主要用于化学领域,因为其耐腐蚀性能和冷变形能力。它具有优异的焊接性。
等级示例: T40.

α钛合金

也具有优异的可焊性,但难以冷成形且不可热处理。它们用于低温应用、航空航天部件和化学工业。

牌号示例: TA5E (TiAl5Sn2.5).

α+β双相钛合金
由于它们的热处理能力、它们的组成以及因此它们的不同性质而提供了最大的可能性。它们用于航空部件(结构、涡轮喷气式飞机等)或海洋和生物医学应用。另一方面,它们更难焊接。
牌号示例: TA6V (TiAl6V4).

β钛合金
提供优异的机械性能组合:硬度-延展性-抗疲劳性。它们可焊接,但不可热处理。这些合金主要用于高应力结构航空部件。
牌号示例: Ti.10.2.3 (TiV10Fe2Al3).

=> 第五类也可定义为TIAL金属间化合物。它们是钛、铝(通常在45%至48%之间)和添加元素的合金。主要应用于高温(航空、汽车等)领域
牌号示例: TiAl47Nb2Cr2.

然而,大部分钛以二氧化钛(TiO2)的形式使用,二氧化钛是一种优良的颜料和/或增稠剂。可用于涂料、塑料、纸张、化妆品、防晒霜等。

Contrôle qualité Titane, utilisation du titane


金相制备

一般而言,转化和加工过程以及各种机械和热处理都将影响钛及其合金的性能和微观结构。

所有这些影响随后将引致各类金相检测需求,如:微观结构检查、孔隙度和/或异质性研究、夹杂物清洁度、硬度试验、硬化控制、晶粒尺寸控制等。

无论何种材料,为了展示其最真实的微观组织,需要进行一系列同样重要的金相试样制备步骤.

顺序如下:

• 从零件中获取待检试样(如有必要),称为“切割”。

• 标准化试样外观尺寸(如有必要),称为“镶嵌”。

• 提升样品表面状态,称为“研磨抛光”。

• 样品表征:(如有必要)利用腐蚀剂腐蚀样品获取微观组织信息,称为“金相腐蚀”;通过光学或电子显微镜观察。

=> 这些步骤中的每一步都必须严格执行,否则其之后的步骤将无法展开。




切割

切割的目的是选取试样,以获得一个合适的部分进行检查,而不改变有关材料的物理化学性质。换句话说,必须避免加热或任何可能导致应变硬化的金属变形。切割是零件进一步制备和检验的基础步骤。

PRESI提供自小型精密切割机至中、大型切割设备,以适应不同切割精度、切割尺寸以及切割效率需求:

每一台切割设备都有其配套适用的附件夹具和耗材。夹具与耗材的正确选择对实现良好的切割质量至关重要。

各类附件夹具的重要性显而易见。如果试样在切割过程中未被正确夹持,其将对切割轮,工件,甚至切割设备产生不利影响。

此外,钛对金相切割过程中产生的热量非常敏感,这使得确定合适的耗材和参数变得更加重要。

耗材

所有的切割机都使用由水基和防锈添加剂混合而成的润滑/冷却液,用于改善切割和冷却性能。添加剂还可以保护试样和切割设备免受腐蚀。
Meule

钛及钛合金
精密切割 UTW
S Ø180
MNF
中型切割 T
MNF
F
大型切割 T
MNF

表1:选择合适的切割轮

=> 切割轮的选择必须适当以避免切割失效,或过度的切割轮损耗甚至破碎。切割轮的选择主要由切割对象的硬度决定。



镶嵌

样品镶嵌的目的是为了包埋一些形状复杂、易碎、小尺寸的试样,方便其后续的研磨抛光操作。镶嵌技术及工艺应同时保证镶嵌气泡的排除并杜绝边缘收缩的发生。

=> 高质量的镶嵌对保护易碎材料至关重要,同时也为后续抛光和其他分析获得良好的制备结果。

镶嵌前,试样应该用粗颗粒砂纸去毛刺,例如,去除任何切割毛刺。用乙醇清洗(在超声波槽中,效率更高)。这使得树脂尽可能地粘附在样品上,从而限制收缩(树脂和样品之间的空间)。

如果持续收缩,会导致抛光过程中出现问题。磨料颗粒可能会滞留在试样缝隙中,在后期释放出来,则会对样品和抛光表面造成污染的风险。在这种情况下,建议在每个步骤之间用超声波清洗机清洗。

两种镶嵌方法:

热镶嵌

热镶嵌可有效保护样品边缘,或为后续硬度测试需求服务(因其相较于冷镶嵌,能提供更刚性的支撑)。

该方法需经由热镶嵌机实现。
PRESI MECAPRESS 3自动热镶嵌机:

• 全自动工作循环。

• 操作简便:参数设定、储存、调用,保证高可重现性。

• 25.4 – 50 毫米,6种内模尺寸。

+ POINT

热镶嵌在边缘保护、硬度、耐化学腐蚀方面表现出色。

冷镶嵌

冷镶嵌更适用于:

• 脆性材料,温度/压力敏感材料

• 复杂的几何结构,如蜂窝结构样品

• 需要镶嵌样品数量较大时

可使用设备为:

+ POINT

大幅提高镶嵌质量,特别是通过减少收缩,优化透明度和促进树脂浸渍。

+ POINT

用环氧树脂对多孔材料进行真空浸渍的设备。
因为树脂的固化收缩特性,冷镶嵌试样的“背面”易形成不平整表面。在研磨抛光之前,可用砂纸简单打磨使得两端面平行。

耗材

PRESI提供直径20-50毫米的、不同材质的多种模杯,包括KM2.0“一次性”模杯,特氟龙、橡胶、聚乙烯模杯等。为应对不同使用需求,也可提供不同尺寸的长方形模具。
Meule

钛及钛合金
热镶嵌 环氧树脂
酚醛
烯丙基
导电酚醛
丙烯酸铜粉
冷镶嵌 KM-U
KM-B
2S*
KM-CO**

表2:选择合适的镶嵌树脂
* 适用于大批量样品
** 适用于SEM观察的导电树脂

钛及钛合金的金相样品经常通过SEM观察。



研磨抛光

研磨抛光是试样制备的最后一个步骤。在每一个步骤中,均使用比之前一个步骤更细小的磨削颗粒来磨制样品表面,以最终得到一个高度平整的样品表面,消除残留的划痕和缺陷,以免影响微观分析、硬度测试、显微组织观察等实验目的。

PRESI提供一系列手动与自动研磨抛光设备,包含丰富的夹具、附件等配件,以满足从预磨直至最终抛光、单个或批次样品的工作需求。

MINITECH系列手动研磨抛光机采用了最先进的技术,用户友好,功能强大,可靠,操作简便。
MECATECH系列台式自动研磨抛光机即可满足手动工作,也可满足自动工作需求。凭借其先进的技术理念,750-1500瓦的电机功率,可处理各种不同材料及满足需要制备大量样品的需求。

钛作为一种材料,相对柔软,容易在研磨抛光过程中产生表面结壳和塑性变形,且在材料去除时,将有“弯曲”的倾向,极大地妨碍了显微观察,这被称为“黄油效应”。这种现象是应被避免的,因此钛及其合金具有特定的磨抛工艺,以确保获得真实展现样品微观组织和形貌的图像。

耗材及磨抛工艺步骤

下述所有磨抛工艺步骤均为常用的推荐信息,可根据实际工况灵活调整。

每种工艺的第一步都被称为“求平”步骤,即快速去除材料(及镶嵌树脂)表面,使其平整。

施加于样品的压力将由其面积尺寸决定。通常而言,在粗磨步骤中,每10毫米直径样品可施加1daN(10牛顿)力,即Ø40mm=4daN,并在之后的每个抛光步骤中逐步递减0.5daN.

磨抛工艺步骤 N°1

磨抛介质 悬浮液/润滑液 底盘转速 (RPM) 工作头转速 (RPM) 旋转方向-底盘/工作头 时间
1 SiC P320 Ø / 水 300 150




1’
2 TOP 9μm LDP / Reflex Lub 150 135




5’
3 SUPRA SPM / 水 150 100




5’

图1:钛合金 – P320 砂纸(5X物镜)

图2:钛合金 – TOP 抛光布+9μm 金刚石悬浮液(5X物镜)

图3:钛合金 – SUPRA 抛光布+SPM二氧化硅悬浮液(5X物镜)

磨抛工艺步骤 N°2

磨抛介质 悬浮液/润滑液 底盘转速 (RPM) 工作头转速(RPM) 旋转方向-底盘/工作头 时间
1 SiC P320 Ø / 水 300 150




1’
2 SiC P600 Ø / 水 300 150




1’
3 SiC P1200 Ø / 水 300 150




1’
4 SiC P2400 Ø / 水 300 150




1’
5 SiC P4000 Ø / 水 300 150




1’
6 SUPRA SPM / 水 150 100




5’

磨抛工艺步骤 N°3

磨抛介质 悬浮液/润滑液 底盘转速(RPM) 工作头转速(RPM) 旋转方向-底盘/工作头 时间
1 SiC P320 Ø / 水 300 150




1’
2 SiC P1200 Ø / 水 300 150




1’
3 RAM Al2O3 N°4 / 水 150 100




2’
4 SUPRA SPM / 水 150 100




3’

图4:钛合金 – P320 砂纸(5X物镜)

图5:钛合金 – P1200 砂纸(5X物镜)

图6:钛合金 – RAM 抛光布+Al2O3 N°4氧化铝悬浮液(5X物镜)

图7:钛合金 – SUPRA 抛光布+SPM二氧化硅悬浮液(5X物镜)

以上给出的磨抛工艺是完整的,并将整体进行。使用SPM胶体二氧化硅悬浮液的氧化物抛光步骤是强制性的。它提供了一个良好的样品表面,没有任何划痕或黄油现象。

然而,在SPM胶体二氧化硅不适用的特殊情况下,可用具有近似粒度的氧化铝悬浮液替代。

=> 磨抛工艺N°1 是最通用的,对大多数钛及其合金样品有效,并提供优良的样品表面。

=> 磨抛工艺N°2 是传统的磨抛工艺,其优点是没有使用金刚石悬浮液。金刚石抛光应被限制在最低限度,以避免试样表面结壳和黄油现象。

=> 磨抛工艺N°3 专门用于抛光非常软的钛样品,如T40。在这种情况下,应杜绝使用金刚石悬浮液。

制备后,即可直接进行金相观察。在光学显微镜下,偏振光将非常好地显示样品结构。

钛的金相腐蚀通常使用Kroll’s试剂进行:3mL氢氟酸和6mL硝酸溶液与100mL水的溶液。金相腐蚀在不同的成分组织之间产生不同的高度差或颜色差,以利显微观察。


金相观察

所有的显微照片均使用PRESI VIEW图像软件制作:

图8:未热处理TA6V – SPM二氧化硅悬浮液抛光(20X物镜)

图9:未热处理TA6V – SPM二氧化硅悬浮液抛光,偏光观察(20X物镜)

图10:TA6V – SPM二氧化硅悬浮液抛光(20X物镜)

图11:TA6V – SPM二氧化硅悬浮液抛光,偏光观察(20X物镜)

图12:未热处理TA6V,Kroll’s试剂腐蚀(20X物镜)

图13:未热处理TA6V,Kroll’s试剂腐蚀(100X物镜)

图14:热处理TA6V,Kroll’s试剂腐蚀(20X物镜)

图15:热处理TA6V,Kroll’s试剂腐蚀(50X物镜)

图16:TIAL基合金 – 氧化铝悬浮液抛光(50X物镜)

图17:TIAL基合金 – 氧化铝悬浮液抛光(100X物镜)

图18:T40 – SPM二氧化硅悬浮液抛光(20X物镜)

图19:T40 – SPM二氧化硅悬浮液抛光,偏光观察(20X物镜)