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钛和钛合金的金相制备

钛是一种韧性很高的金属,在为显微镜检查制样时,很难切割、研磨和抛光。 本指南概述了为进行金相检查制备钛和钛合金样品的最有效方法,可获得准确且可重现的结果。

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钛和钛合金的主要特点

钛有两个主要特点:
  • 耐腐蚀性高: 它对氧的高亲和性使其能够形成薄而致密、能够自愈合且稳定的氧化层。 这能有效保护金属,防止各种化学物质的初期腐蚀。
  • 强度重量比高: 这种特性即使在较高温度下也能保持。
由于耐化学腐蚀且强度重量比高,钛及其合金广泛用于对安全和质量控制要求非常严格的航空航天、化学和医疗行业。 因此,钛的材相制备和分析非常重要。

制备用于显微镜分析的钛和钛合金样品时所面临的挑战是材料的韧性,它使得材料很容易发生机械变形。 在进行切割、研磨和抛光时,必须考虑到这一点。

钛和钛合金的冶炼及微观结构

从最初的生产过程监控,到铸件孔隙率的评估和热处理的控制,金相在钛及其合金的质量控制中起着重要作用。 它在钛合金及产品的研发中也起着重要作用。

商用钛的等级和合金分为四类:
  • 非合金商用纯钛 (CP)
  • α 型和近 α 型合金,如 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
  • α-β 型合金,如 Ti-6Al-4V
  • β 型合金,钒、铬和钼含量高

在 882°C 的温度下,钛会经历同素异形变化,从低温下密排的六方结构 (α) 转变为体心立方结构 (β)。 这种转变可用于生产 α 型、β 型或混合 α/β 型微观结构的合金,并且可以使用热处理和热-机械处理。

因此,可以利用相对较少的合金成分,获得各种不同的性能。 但是,为了确保微观结构和性能的理想结合,必须保持对处理过程的严密控制。 这使得金相非常重要。

在钛和钛合金的生产中,热成形、热处理、微观结构和物理性能之间的关系非常复杂。 下面展示了钛最常见的几种微结构的例子。

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图 1: 商用纯钛的晶粒结构,由于弯曲造成了机械变形。 可观察到由于机械变形产生的孪晶。 偏振光,100x

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图 2: 退火条件的 α-β Ti-6Al-4V 锻造合金的结构。 蚀刻剂: Kroll 试剂。 400x

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图 3:α-β Ti-6Al-4V 合金,带有白色脆性的 α 壳 (α-case) 表层。 蚀刻剂: Weck 试剂。 尽管热成形过程是在受控环境下进行的,钛仍然能够在较低温度下吸收氧,形成表面硬化区,即 α 壳。 这是一个很脆的层,只能用机械方法去除。 50x

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图 4: Ti-15V-3Al- 3Sn-3Cr 合金板纵向剖面的 β 结构。 这种合金因其优异的机械性能而用于航空航天行业。 蚀刻剂:加热着色。 50x

钛和钛合金的制备: 切割与镶嵌

切割钛和钛合金

由于其韧性高,加工或切割钛时常常会产生长的碎屑。 因此,使用常规的氧化铝切割轮进行金相切割的效果不好,常常会导致热损伤,如图 5 所示。

解决此问题的方法是使用碳化硅切割轮,它是为切割钛专门开发的(如 20SXX)。

切割钛会产生一种特殊的气味,这种气味在切割大块或大量钛时会非常明显。 这种情况下,我们建议您在切割机上连接一个排烟装置。

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图 5: 钛在切割过程中容易过热,产生较大毛刺

 

镶嵌钛和钛合金

在主要分析钛锭、钛坯和钛板的初级生产控制实验室,大的钛样品在处理时通常不镶嵌。 但是,较小的制造部件,如线材和紧固件,始终应镶嵌。 这样可以简化制样,并确保最佳的准确性和再现性结果。

为此,我们建议使用酚醛树脂 (MultiFast) 热压镶嵌或慢固化环氧树脂 (EpoFix) 冷镶嵌。

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钛和钛合金的制备: 研磨与抛光

由于其韧性极高,钛在金相制备过程中容易发生机械变形和划伤。 应避免使用金刚石抛光,尤其是对于商用纯钛,因为它会给表面造成划痕和油污形式的机械变形。 一旦形成,这层变形就很难去除。 为避免此问题,我们建议使用化学机械抛光。

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图 6: 由于其韧性高,钛很容易变形和划伤。 DIC,50x

钛和钛合金的 3 步法研磨与抛光

该三步自动法是一种经过验证的方法,可以提供钛和钛合金良好的可重现性结果。 (有关详细信息,请参阅表 1。)

第 1 步
用树脂粘合金刚石刚性盘进行平面磨削,如 MD-Mezzo。 (注意: 对纯钛进行平面研磨时,应使用碳化硅箔,如表 2 所示)。

第 2 步
MD-LargoMD-Plan 等硬质表面上研磨,使用 DiaPro Allegro/Largo 9DiaPro Plan 9 等 9 µm 金刚石悬浮液磨料。

第 3 步
使用硅胶 (OP-S) 和过氧化氢(浓度 10-30%)的混合物进行化学机械抛光。 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,最终抛光步骤所需的时间就越长。 商用纯钛需要最多 45 分钟。

继续抛光至表面在光学显微镜下呈白色。 钛和钛合金在抛光后通常应该看起来很洁净,这意味着表面上可见的任何小黑点都很可能是由于研磨变形造成的。 这些瑕疵应该通过进一步的化学机械抛光去除。 抛光完成后,应该能够在不蚀刻的情况下在偏振光下看到结构。

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表 1: 显示了一种适用于直径为 30 mm 的 5 级或 5 级以上的钛合金未镶嵌样品的通用自动制备方法。 请注意,抛光时间可能 因钛的纯度和样品的表面积而不同。 

* 70-90% OP-S 和 10-30% H2O2(浓度 30%)的混合物。
** 抛光时间取决于样品的面积。 很大的样品比小样品需要更长的抛光时间。 
*** 降低到 25 N 可避免单个制备镶嵌样品时出现铅笔形状。
请注意,在使用 OP-S 的制备步骤的最后 20-30 秒,用水冲洗旋转的砂布。  这样可以清洁样品、夹具座和砂布。

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表 2: 显示了一种适用于直径为 30 mm 的纯钛(1-4 级)未镶嵌样品的通用自动制备方法。 请注意,抛光时间可能因钛的纯度和样品的表面积而不同。 

*80% OP-S + 10% H2O2 (30%) + 10% NH4OH (25%)


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图 7: 棒状商用纯钛的横截面,电解抛光。 偏振光。 100x

用于抛光钛及钛合金的化学试剂

OP-S 硅胶和过氧化氢混合物
与其他一些硅胶不同,OP-S 是为了适合化学品添加而开发的,不用转化为凝胶状稠度。 因此,它非常适合用于抛光钛和钛合金。

过氧化氢和钛会生成一种反应产物。 在化学机械抛光过程中,它不断通过硅胶悬浮液从样品表面去除,让表面没有机械变形。 使用双氧水时,我们建议佩戴橡胶手套。

硝酸和氢氟酸混合物
硝酸和氢氟酸混合物也可以用于对钛进行化学机械抛光。 这些试剂起效很快。 但是,我们不建议使用它们进行抛光,因为它们具有很强的腐蚀性,在抛光过程中使用这些酸时必须采用完善的安全措施。

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图 8: 经 3 µm 金刚石抛光的钛。 变形和划痕很难清除

如何有效清洗样品
使用硅胶 (OP-S) 时,在开始抛光前用水润湿砂布非常重要。
  1. 用水冲洗旋转的砂布约 20-30 秒,然后停止机器,从样品、夹具座和砂布上冲掉 OP-S
  2. 再次用中性洗涤剂和水分别清洗样品。
  3. 用乙醇和较强气流干燥样品。 如果仍然在样品表面上看到 OP-S,重复清洗过程。
为了更快地进行处理并获得良好的可重复性结果,使用 Lavamin 等自动清洗设备对样品进行清洗。
钛和钛合金电解抛光:比机械抛光更快的替代方法
如果需要快速获得结果,电解抛光是一个有用的选择。具有同质结构的 α 型合金特别适合进行电解抛光,而 α-β 型合金也可以进行电解抛光。

对钛和钛合金进行电解抛光具有明显的优点,包括:
  • 快速获得结果(特别是通常需要更长抛光时间的纯钛)
  • 过程简单
  • 重现性好
  • 样品表面不会留下机械变形

电解抛光过程需要很细的研磨表面(SiC #1200 或更细)。 电解抛光后,经过抛光的试样可以在偏振光下或在化学蚀刻后进行检验。

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表 3: 显示了纯钛和钛合金的通用电解制备方法。

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钛和钛合金的蚀刻

抛光良好的钛样品的表面不需要进行蚀刻就可以在偏振光下检测。 虽然对比不是很明显,但可以进行常规检查以确定抛光是否充足。

钛最常用的化学蚀刻剂是 Kroll 试剂:
  • 100 ml 水
  • 1-3 ml 氢氟酸
  • 2-6 ml 硝酸
浓度可以因合金而不同,并且可以个别调整。 Kroll 试剂使 β 相的颜色变为深棕色。
钛可以用 Weck 试剂进行彩色蚀刻:
  • 100 ml 水
  • 5 g 氟化氢铵
下载包含制备方法的应用说明

总结

钛是一种韧性好、重量轻、强度高的金属,具有良好的耐腐蚀性和生物相容性。 它被广泛用于安全和质量控制要求严格的航空航天、化学和医疗行业。

钛由于韧性需要进行特殊的金相制备,使用特殊的切割轮进行切割,使用过氧化氢和硅胶混合物进行化学机械抛光。 这种抛光方法通过自动化设备进行,始终能够提供良好的可重复性结果。

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Marcello Manca

所有图片均由丹麦应用专家 Marcello Manca 提供
有关钛金相制备的具体信息,请联系我们的应用专家