分享：BT23钛合金β转变温度的测定与分析

文章采用化学成分计算法、组织分析计算法、差热分析法和连续升温金相法4种方法计算和测定了马氏体型BT23钛合金的β转变温度，对比分析了化学成分计算法、组织分析计算法、差热分析法和连续升温金相法4种方法计算和测定β转变温度的效率和可靠性，以期获得一种高效、可靠且更适合测定马氏体型BT23合金β转变温度的测试方法。实验结果分析表明：连续升温金相法测定相变点为898℃，结果直观精确，但实验周期长；组织分析计算法所得相变温度为901.74℃，差热分析法测定的值较金相法略高，为903.1℃，此2种方法准确性高，检测效率高；化学成分计算法所得相变温度较金相法测定值高，仅可作为参考。

BT23的名义成分为Ti-5Al-4.5V-2Mo-1Cr-0.6Fe，是一种中等合金化的马氏体型α+β两相钛合金，[Mo]eq为8.1%，[Al]eq为6.0%。其最高允许使用温度为300~350℃，是滑翔机、飞机、宇宙飞船和运载火箭高负载零件用的主要的钛合金结构材料，在航空、航天等领域具有广阔的应用前景[1-2]。国内对于此合金的研究较少。

钛合金的β转变温度是指在热平衡状态下显微组织中α相完全转变为β相的最低温度[3]。随着技术的进步，近β锻造等先进锻造技术的应用，对钛合金相变温度的精准性提出了更高的要求。因此，精准测定钛合金的β转变温度对于钛材料的热加工和热处理至关重要，是制定最优热加工参数和热处理制度的主要依据[3-5]。

目前，常用的钛合金β转变温度的检测方法主要有化学成分计算法、连续升温金相法、差热分析法、热膨胀法、电阻法、X射线衍射法等[6]。本文通过化学成分计算法、组织分析计算法、连续升温金相法和差热分析法4种方法计算和测定了BT23马氏体型两相钛合金β转变温度，同时对此4种方法测定结果进行对比分析，以期获得一种高效、高精度且适合BT23马氏体型两相钛合金β转变温度的测定方法。

实验材料与方法

本文选用BT23钛合金板材作为原始材料，其原始组织见图1。由图1可知，原始组织是典型的网篮状组织，由短小交错排列的片状α相和晶界β相组成。

实验采用连续升温金相法测定β转变温度，试样尺寸为15mm×8mm×8mm，淬火温度为890、895和900℃，各温度条件下保温40min后，将其立即水淬(中间转移时间不超过2s)。将淬火后的试样经磨制、抛光后采用v(HF)∶v(HNO3)∶v(H2O)=1∶2∶5腐蚀液进行腐蚀，在Axiovert200MAT金相显微镜上观察试样组织形貌。采用热分析仪测定β转变温度，升温速率选用5℃/min，氩气保护流量为50mL/min。

实验结果与分析

化学成分计算法

化学成分计算法[7]是根据组成合金各化学元素的含量对钛合金β转变温度的影响值来计算β转变温度的一种方法。钛合金的相变温度主要由组成合金的化学元素类型、含量共同决定。BT23钛合金的主要组成合金元素为Ti、Al、V、Mo、Cr和Fe。其中，Al是α稳定元素，在α相中有较大的固溶度，可扩大α相区，显著提高β转变温度。V和Mo是β稳定元素，与β-Ti晶格类型相同，可无限溶于β中，扩大β相区，从而显著降低β转变温度。此外，Cr和Fe是共析型β稳定元素，在β中溶解度较α中的大，可降低β转变温度[7-8]。根据各合金元素和杂质元素对钛β转变温度的影：β转变温度Tβ=885℃+∑元素含量×该元素对β转变温度的影响值(1)式中，885℃为纯钛的β转变温度。表1为钛合金中各元素对β转变温度的影响值[7]。根据化学成分含量和表1中所列出的数据，采用公式(1)计算出BT23钛合金β转变温度为922.24℃。根据文献[9]中TC21钛合金β转变温度测试的经验判断，计算得出的β转变温度较实测值高出15~20℃，故对本次BT23合金β转变温度推算结果为902.24~907.24℃。

组织分析计算法

组织分析计算法通过选用β转变温度以下60℃至β转变温度之间的温度作为淬火温度(T淬)进行淬火处理，然后测定淬火后微观组织中初生α相含量w(α)，最后利用经验公式(2)计算β转变温度(Tβ)[9-11]。

初生α含量的常用的测定方法有4种方法：①线割法；②面积计算法；③与图谱对比法；④金相软件分析法。刘竞艳等[10]采用金相软件测定初生α相含量，再利用公式(2)获得β转变温度计算结果与金相法一致，分别为954.32℃和950~955℃。

本文选取870℃/30 min淬火后，其微观组织见图2。利用金相软件测量初生α相含量为23%，由公式(2)可得：Tβ=901.74℃。与成分计算法计算结果相比，组织分析计算法是一种准确性、效率均较高的测定钛合金β转变温度的方法。

连续升温金相法

连续升温金相法[12]是根据钛合金板材试样经不同淬火温度热处理后试样显微组织中初生α相含量的变化进行检测β转变温度的一种方法。其检测原理为在低于β转变温度下淬火后，显微组织中存在一定含量的初生α相，其含量随加热温度的升高而减少；当达到某一临界温度后，将全部转变为β相，即在淬火后试样的显微组织中开始完全观察不到初生α相的温度判定为β转变温度[12-13]。

在实验中，根据成分计算法和组织分析计算法估算的结果选取连续升温金相法的测试温度依次为890、895和900℃，保温时间均为30 min。经三种淬火温度处理后试样的显微组织见图3。由图3可知，当淬火温度为890℃时，显微组织中存在大量的初生α相(图3(a))；当淬火温度升高至895℃时，初生α相含量明显减少(图3(b))，仅存在初生α相含量约3%，并存在少量的针状马氏体，表明此温度已接近相变点；当温度升高至900℃时，初生α相已全部转变为β相，组织中白色大块的β相基体上分布着细针状马氏体[14](图3(c))，表明当温度升高至900℃时，初生α相已完全转变为β相，即已完全进入BT23钛合金的β单相区。结合图3(b)和图3(c)可知，BT23钛合金相变点为895~900℃，依据文献[15]，炉温升高1℃，初生α相含量降低1%。由此判定BT23合金β转变温度为898℃。

差热分析法

差热分析法测定BT23钛合金的相变温度是采用差热分析仪将试样与参比试样在完全相同的条件下加热(或冷却)，根据两者温度差与温度或时间的变化关系(DSC曲线)，对晶型转变温度进行判定。当显微组织发生相转变时，DSC曲线会有明显的吸(放)热峰，通过测定吸(放)热峰的温度，即可完成对钛合金β转变温度的测定。

采用差热分析法检测时，BT23钛合金DSC曲线重复性良好。BT23 DSC曲线及相变点附近的一阶导数见图4。由图4可知，DSC曲线一阶导数的峰值温度约为903.1℃，即相变点为903.1℃。对于α+β及β型钛合金来说，在α相向β相转变的过程中，由于参与相变的α相含量相对较少，在DSC曲线上无明显的吸(放)热峰，仅表现为基线迁移，同时基线迁移的范围窄，仅涉及10~15℃，难以直观的判断出β转变温度，因此，采用DSC曲线一阶导数的方式进行判定β转变温度，也是科学合理的[3，16]，且测试速度快，成本低。此方法测定的结果与金相法测定的相变点温度898℃相比略高5.1℃，这是由加热引起的相变滞后现象所致。对于钛及钛合金来说，其导热系数小，当升温速率越大时，试样内部的温度梯度越大，造成的滞后效应就越明显，测定的相变点就会偏高越多。

结束语

采用化学成分计算法、组织分析计算法、差热分析法和连续升温金相法4种方法计算和测定了马氏体型BT23钛合金的β转变温度，主要获得以下结论：

(1)连续升温金相法测定相变点为898℃，结果直观精确，但测试周期长，测试成本高；

(2)差热分析法测定BT23钛合金相变点为903.1℃，测试速度快，成本低，且可靠性高，较金相法略高5.1℃。这主要是由于测试过程中加热引起的相变滞后现象所致，后续实验建议采用较小的升温速率；

(3)组织分析计算法所得相变温度为901.74℃，其测试速度快，准确性高；

(4)成分计算法可以估算，仅作为参考。

文章来源——金属世界