钛合金金相分析-测博士

一、分析目的

1. 显微组织评估

• 观察晶粒大小、形态及分布，判断热处理或加工工艺对组织的影响。

• 检测第二相（如 α 相、β 相、金属间化合物）的类型、尺寸、数量及分布。

2. 缺陷分析

• 识别气孔、夹杂、裂纹、偏析等微观缺陷，追溯生产工艺问题。

3. 性能预测

• 通过组织特征（如相比例、晶粒尺寸）推断力学性能（强度、塑性、韧性等）。

4. 工艺优化

• 指导热处理工艺（如退火、固溶时效）参数调整，改善材料性能。

二、样品制备流程

1. 取样

• 原则：选取具有代表性的部位（如缺陷区、典型组织区），尺寸通常为 10mm×10mm×5mm。

• 注意：避免取样过程中因过热或塑性变形导致组织改变（可采用线切割、低速锯切）。

2. 镶嵌

• 适用场景：小尺寸样品或形状不规则样品，便于后续磨抛。

• 方法：

• 热镶嵌：使用酚醛树脂等在高温高压下固定样品（需注意温度不宜过高，避免钛合金组织变化）。

• 冷镶嵌：采用环氧树脂 + 固化剂室温固化，适合对温度敏感的样品。

3. 磨制

• 粗磨：用砂纸（如 240#、600#）去除切割损伤层，使表面平整。

• 精磨：依次使用 1000#、2000#、5000# 砂纸进一步细化表面，直至无明显划痕。

4. 抛光

• 机械抛光：使用抛光布 + 抛光剂（如金刚石悬浮液，粒度从 3μm 到 1μm），去除磨痕，获得镜面效果。

• 电解抛光：适用于易产生塑性变形的钛合金（如 β 钛合金），通过电化学腐蚀消除表面应力层。

• 电解液：常用高氯酸 + 乙醇混合液（如高氯酸：乙醇 = 1:9）。

• 参数：电压 10~30V，时间 10~30 秒，低温操作（如冰浴）避免过热。

5. 腐蚀

• 目的：通过化学或电解腐蚀使显微组织显现（钛合金组织通常需腐蚀后才能在光学显微镜下观察）。

• 常用腐蚀剂：

  腐蚀剂类型	成分配比	适用合金类型
  Kroll 试剂	HF 1~3mL + HNO₃ 2~6mL + H₂O 100mL	α 钛合金、α+β 钛合金
  Barker 试剂	HF 5mL + HNO₃ 35mL + H₂O 60mL	β 钛合金
  电解腐蚀液	10% HClO₄ + 90% 甲醇	所有钛合金

• 操作要点：

• 化学腐蚀时用棉球蘸取试剂轻擦样品表面，至组织隐约可见后立即用水冲洗并吹干。

• 电解腐蚀时电压 5~20V，时间数秒至数十秒，需控制腐蚀程度避免过腐蚀。

三、组织观察与分析

1. 光学显微镜（OM）

• 观察内容：

• α 相：密排六方结构，呈等轴状、板条状或针状，颜色较亮。

• β 相：体心立方结构，腐蚀后颜色较暗，常见于 α+β 钛合金的晶界或晶内。

• 魏氏组织：粗大的板条状 α 相呈平行排列（图 1），通常由过热或 β 区加工引起，导致塑性下降。

• 等轴组织：细小均匀的等轴 α 相 +β 转变组织（图 2），综合力学性能较好。

• 晶粒尺寸测量：采用截距法或面积法，依据标准（如 GB/T 6394）计算平均晶粒尺寸。

2. 扫描电子显微镜（SEM）

• 优势：分辨率高，可观察组织细节（如第二相形貌、断口特征）。

• 分析内容：

• 析出相（如 Ti₂Ni、Ti₃Al）的尺寸、分布及与基体的界面特征。

• 疲劳裂纹萌生位置、扩展路径与组织的关系。

• 配套技术：能谱分析（EDS）可测定微区成分，辅助相鉴定。

3. 透射电子显微镜（TEM）

• 适用场景：纳米级组织分析（如时效析出的纳米相、位错结构）。

• 分析内容：

• 马氏体相变产物（如 α' 相、α'' 相）的精细结构。

• 固溶处理后基体中的溶质原子偏聚状态。

四、常见钛合金组织类型

五、应用场景

1. 航空航天领域

• 分析航空发动机叶片（如 TC4-DT 钛合金）的锻造流线与热处理后的 α+β 双态组织，确保疲劳性能。

2. 医疗器械

• 检测 Ti-6Al-4V 合金人工关节的晶粒尺寸与表面腐蚀层，评估生物相容性与耐磨性。

3. 材料研发

• 研究新型钛合金（如低弹性模量 β 钛合金）的时效析出规律，优化强韧性匹配。

4. 失效分析

• 某钛合金结构件断裂后，通过金相分析确认裂纹起源于铸造气孔或热处理过烧组织。