钛及钛合金的冶金和微结构

• 非合金商业纯钛(CP)
• α和近α合金，如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
• α-β合金，如Ti-6Al-4V
• β合金，具有较高的钒、铬、钼含量

在882℃时，钛发生了由低温、紧密填充的六方结构(α)到以体为中心的立方相(β)的同素异构变化。这种转变使制造具有α、β或混合α/β组织的合金成为可能，并使热处理和热机械处理成为可能。

因此，可以从相对少量的合金成分获得广泛的性能。然而，为了确保理想的组织和性能组合，必须保持对处理过程的密切控制。这就使得金相学必不可少。

在钛及其合金的生产过程中，热成形、热处理、组织和物理性能之间的关系是非常复杂的。下面是一些最常见的钛微结构类型的例子。

图1:经机械弯曲变形的商用纯钛的晶粒结构。由于机械变形而产生的孪生现象是可见的。偏振光,100 x

图2锻造α-β Ti-6Al-4V退火组织。腐蚀剂:Kroll试剂。400 x

图3:α-β Ti-6Al-4V具有白色、脆性的“α-壳”表层。腐蚀剂:尽情试剂。虽然热成形过程是在控制气氛下进行的，但钛可以在较低的温度下吸收氧气，这导致表面硬化区，α-壳。这是一个非常脆的层，只能用机械去除。50 x

图4:Ti-15V-3Al- 3Sn-3Cr合金板纵断面β组织。这种合金因其优越的机械性能而被用于航空航天工业。腐蚀剂:热着色。50 x

钛和钛合金的制备:研磨和抛光

由于钛具有极强的延展性，在金相制备过程中容易发生机械变形和划伤。应该避免金刚石抛光，特别是使用商业纯钛，因为它以划痕和涂抹的形式给表面带来机械变形。一旦引入，这层变形就很难去除。为了避免这个问题，我们建议使用化学-机械抛光。

图6:由于钛的延展性，它很容易变形和划伤。DIC, 50 x

钛及钛合金磨削抛光三步法

这种三步自动方法是一个经过验证的程序，它为钛和钛合金提供了出色的、可重复的结果。(详情请参见表1。)

步骤1
平面磨削用树脂结合金刚石在硬圆盘，如MD-Mezzo．(注:当平面磨削纯钛时，a碳化硅箔应该使用，如表2所示)。

步骤2
在坚硬表面上的精细研磨，如MD-Largo或MD-Plan，使用磨料9 μ m金刚石悬浮液，如DiaPro快板/缓慢的9或DiaPro Plan 9．

步骤3
胶体二氧化硅混合物化学-机械抛光(OP-S)和过氧化氢(浓度在10- 30%之间)。制备时间取决于样品面积和钛合金。样品越大，钛的纯度越高，最后的抛光步骤所需的时间就越长。商用纯钛的加工时间可达45分钟。

继续抛光，直到表面在光学显微镜下看起来是白色。在抛光后，钛和钛合金通常看起来非常干净，这意味着表面上任何可见的小黑点都很可能是由于磨削变形。这些人工制品应该通过进一步的化学-机械抛光去除。一旦抛光完成，你应该能够看到结构在偏振光没有蚀刻。

表1:显示了5级或更高级别的钛合金的通用自动制备方法，未安装的样品，30毫米直径。请注意，抛光时间可以根据钛的纯度和样品表面的面积而变化。

* 70 - 90%OP -年代含10-30% H2O2(含30% conc)。
**抛光时间取决于样品面积。非常大的样品比小的样品需要更多的抛光时间。
***减小到25n，以避免安装样品的单次样品制备中出现铅笔形状。
注意:在最后20-30秒的准备步骤中配合OP-S,转动的布用水冲洗。这将清洁样品，支架和布。

表2:显示了一种通用的、自动制备纯钛(1-4级)的方法，未安装的样品，30毫米直径。请注意，抛光时间可以根据钛的纯度和样品表面的面积而变化。

*80% ops + 10% h₂O₂(30%) + 10% nh₄哦(25%)

图7:电解抛光的商业纯钛棒的横截面。偏振光。100 x

用于抛光钛及钛合金的化学试剂

OP-S胶体二氧化硅和过氧化氢混合物
与其他胶体二氧化硅不同，OP-S被开发用来适应化学添加物而不转化成凝胶状的稠度。因此，它非常适合于抛光钛和钛合金。

过氧化氢和钛产生反应产物。在化学-机械抛光过程中，硅悬浮液不断地从样品表面去除这一物质，使表面不受机械变形的影响。当使用过氧化氢时，我们建议戴上橡胶手套。

硝酸和氢氟酸的混合物
硝酸和氢氟酸混合物也可用于钛的化学-机械抛光。这些试剂起效很快。但是，我们不建议将它们用于抛光，因为它们具有很强的腐蚀性，在抛光过程中处理这些酸时必须采取广泛的安全预防措施。

图8:3 μ m金刚石抛光后的钛。变形和划痕很难去除

1. 在机器停止前，用水冲洗旋转的布约20-30秒OP-S取下样品、支架和布料。
2. 再次用中性洗涤剂和水单独清洗样品。
3. 用乙醇和强气流使样品干燥。如果你还能看到OP-S在样品表面，重复清洗过程。

• 效果快(特别是纯钛，通常需要更长的抛光时间)
• 简单的过程
• 良好的重现性
• 样品表面无机械变形

电解抛光过程需要精细的研磨表面SiC # 1200或细)。电解抛光后，抛光后的试样可在偏振光下进行检验或进行化学蚀刻。

表3:为纯钛和钛合金的一般电解制备方法。

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总结

钛是一种非常韧性，低重量/高强度的金属，具有良好的耐腐蚀性和生物相容性。它广泛应用于航空航天、化工和医疗行业，这些行业的安全和质量控制至关重要。

钛的延展性需要特殊的金相制备，使用特殊的切割轮进行切片，并使用过氧化氢和胶体二氧化硅的混合物进行化学-机械抛光。这种用自动设备进行的抛光方法，具有一贯优良和可重复性的效果。

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