差示掃描量熱法測定TA15/TC4鈦合金的相變溫度

鈦合金相變溫度是指在平衡狀態下α相剛好完全轉變為β相的溫度。精確測定鈦合金的相變溫度對鈦及鈦合金加工和熱處理具有非常重要的意義，是制定最佳的材料熱加工變形參數和熱處理規范的依據。差示掃描量熱法可以記錄加熱或冷卻過程中熱流的變化，通過熱流變化分析出鈦合金的相變溫度。它是一種有效測試鈦合金相變溫度的方法，具有快速、高效、易于操作等特點。常規的DSC一般最高使用溫度在700℃左右，而近些年高靈敏度高溫DSC的發展及應用使得高溫測試鈦合金相變溫度成為可能，并使其測得的準確性得到大幅提高。

1、實驗

實驗所用的儀器為METTLER公司的TGA/DSC3/1600LF至尊型同步熱分析儀，可使用溫度范圍為：室溫～1600℃。實驗所用的樣品是分別從四種不同鈦合金TC27、TA15、TC4、TB6棒材上切取φ6mm×1～2mm的小圓柱。樣品編號及相變溫度如表1所示。實驗過程中使用容積為150μL的鉑金坩堝，升溫速率20℃/min，高純Ar氣保護50mL/min，實驗溫度為30～1200℃。利用同步熱分析儀得到四種不同鈦合金在升溫過程的TGA/DSC曲線，通過曲線分析出四種不同鈦合金的相變溫度。

2、實驗結果及分析

表1 樣品信息

2.1 TC27鈦合金

TC27鈦合金名義成分為Ti-5Al-4Mo-6V-2Nb-1Fe，是一種近β鈦合金。圖1為TC27鈦合金的TGA/DSC測試曲線。圖譜均分為兩部分，曲線橫坐標為溫度（℃），其中上半部分的實曲線為TGA，縱坐標為重量百分（%）；下半部分的實曲線為熱流曲線，縱坐標為歸一化后的熱流值（W/g）；虛曲線為DSC曲線的一階導數，縱坐標W/g·℃。在測試范圍內，TG重量基本沒有變化，因此樣品在整個過程中沒有發生氧化反應。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲呈現放熱現象，應是由樣品釋放殘余應力引起的；而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現吸熱峰，約在900℃左右結束，這是由于相變是一個持續的過程。參考標準HB 6623.1-92將DTA曲線對溫度的一階倒數的峰值定義為鈦合金的相變溫度。圖1也給出了DSC曲線的一階導數，曲線上有明顯的峰，峰值為869.24℃，可推斷TC27鈦合金的相變溫度為869.24℃。

圖1 TC27鈦合金的TGA/DSC曲線

2.2 TA15鈦合金

TA15鈦合金名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是一種近α鈦合金。圖2為TA15鈦合金的TGA/DSC測試曲線。同樣，在測試范圍內TG重量基本沒有變化，因此樣品在整個過程中沒有發生氧化反應。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現放熱現象，應也是由樣品釋放殘余應力引起的；而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現吸熱峰，約在1020℃左右結束。圖2也給出了DSC曲線的一階導數，曲線上有明顯的峰，峰值為992.87℃，同理可推斷TA15鈦合金的相變溫度為992.87℃。

圖2 TA15鈦合金的TGA/DSC曲線

2.3 TC4鈦合金

TC4鈦合金名義成分為Ti-6Al-4V，是最為常用的α+β鈦合金之一。圖3為TC4鈦合金的TGA/DSC測試曲線。同樣，在測試范圍內TG重量基本沒有變化，因此樣品在整個過程中沒有發生氧化反應。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現放熱現象，應也是由樣品釋放殘余應力引起的；而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現吸熱峰，約在1020℃左右結束。圖3也給出了DSC曲線的一階導數，曲線上有明顯的峰，峰值為977.60℃，同理可推斷TC4鈦合金的相變溫度為977.60℃。

圖3 TC4鈦合金的TGA/DSC曲線

2.4 TB6鈦合金

TB6鈦合金成分為Ti-10V-2Fe-3Al，是一種近β鈦合金。圖3為TB6鈦合金的TGA/DSC測試曲線。同樣，在測試范圍內TG重量基本沒有變化，因此樣品在整個過程中沒有發生氧化反應。由DSC曲線可以看出，在500℃前的DSC曲線明顯向下彎曲也呈現放熱現象，應也是由樣品釋放殘余應力引起的；而在700℃以后，有明顯的向吸熱方向偏移，出現吸熱峰，約在850℃左右結束。圖3也給出了DSC曲線的一階導數，曲線上有明顯的峰，峰值為804.29℃，同理可推斷TB6鈦合金的相變溫度為804.29℃。

圖4 TB6鈦合金的TGA/DSC曲線

3、討論

由于近些年DSC可使用溫度的范圍進一步向高溫擴展，使得一些相變溫度很高的鈦合金如TA15、TC4鈦合金，也可以通過差示掃描量法來測得。同時也因為DSC測試精度的逐步提高、以及眾多研究者對此法經驗的積累，對于像TC27比較微弱的鈦合金的相變過程通過基線校準也能分析出很好的測試結果。金相法是測試鈦合金相變溫度最為常用的方法，對四種不同鈦合金相變溫度采用金相法測得結果如表2所示。通過對比差示掃描量法和金相法的測試結果，可以看出兩種測試方法的結果相當接近，說明差示掃描量熱法也是一種有效的測試鈦合金相變溫度的方法，而且比金相法操作簡便、快速高效，可以在未知相變溫度區間測定新的合金相變溫度時體現出絕對的優勢。

表2 金相法測試結果

4、結論

采用差示掃描量熱法測定四種不同鈦合金的相變溫度，其測試曲線體現出類似的規律，參考標準HB 6623.1-92將DTA曲線對溫度的一階倒數的峰值定義為鈦合金的相變溫度，因此對DSC曲線求一階導數，峰值位置即為相變溫度。由于目前金相法是鈦合金中最為常用的方法，而通過差示掃描量熱法和金相法測試結果，可知兩者的結果相當接近，說明差示掃描量熱法也是一種有效的測試鈦合金相變溫度的方法。