CN112649259A - 一种γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种γ‑TiAl基合金中硼化物的显示方法，属于材料内部组织结构观测技术领域。将含B元素的TiAl合金样品用不同号数水磨砂纸依次粗磨和精磨，抛光至镜面后洗净、吹干。将待观察金相样品连接阳极，纯钛片连接阴极，浸入金相电解腐蚀剂进行电解腐蚀，电解腐蚀剂温度为室温，电解腐蚀电压为15～35V，电解腐蚀时间为10～20s，然后洗净、吹干。采用常规光学金相显微镜明场像就能观察到明显区别于淡红色γ相基体的红色硼化物金相显微组织。本发明解决了γ‑TiAl基合金金相组织中细小硼化物无法辨别、形状尺寸难以统计的难题，有利于科研人员调控硼化物形貌尺寸，促进γ‑TiAl基合金及其部件的研制生产。

Description

一种γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法

技术领域

本发明涉及一种γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，属于材料内部组织结构观测技术领域。

背景技术

γ-TiAl基合金是一种轻质金属间化合物，具有高比强度、高比模量、良好的高温抗蠕变及抗氧化性能，是公认的最优应用前景的轻质高温结构材料，目前已应用在通用电气新型航空发动机GEnx最末两级低压涡轮叶片，其在航空航天、高端汽车、国防军工等领域的高温结构部件有着更为广阔应用前景。

已应用的第二代γ-TiAl合金Ti-48Al-2Nb-2Cr片层晶粒尺寸粗大，需要通过复杂的、长时间热处理细化片层晶粒尺寸，提高材料室温塑性。因此，Larson等通过加入B元素引入弥散的硼化物阻碍晶粒生长而得到片层晶粒尺寸约为10～250μm的细晶组织，相应部件组织均匀性和室温塑性显著提高。此外，硼化物还可作为增强相阻碍位错运动而提高γ-TiAl基合金的高温力学性能。但引入的硼化物受合金成分、制备工艺等因素影响，形貌和尺寸相差较大，相应力学性能也相差较大。已有研究表明大尺寸、弯曲丝带状硼化物不利于室温塑性等力学性能(参见王希等《冷却速率对β凝固γ-TiAl合金硼化物和室温拉伸性能的影响》)。因此，需要调控TiAl合金中硼化物的形貌、尺寸及其分布以提高γ-TiAl合金的综合力学性能。而快速检测表征γ-TiAl基合金中硼化物是调控其形貌的基础。

扫描电镜和电子探针在大倍数下观察到的硼化物形貌较明显，但小倍数下硼化物与γ相基体衬度相差不大，较难区分。此外，真空腔室中装入的样品数量少、需要抽真空、去相散、聚焦等复杂操作后才可观察到硼化物，检测耗时长，无法快速获得硼化物形貌及其分布特点；透射电镜能观察到硼化物中的细微结构，但其样品制备过程繁琐复杂，观察视野有限，大尺寸硼化物的形貌特征甚至无法在同一视野获得，更难表征检测整个样品中的硼化物形貌和分布特征。相对上述分析检测手段，光学金相显微镜检测样品制备简单，检测范围大，成本低廉，能够快速获得整个样品中的硼化物形貌特征。

常规的钛合金金相腐蚀剂Kroll试剂(1～3ml氢氟酸(HF)、2～6ml硝酸(HNO₃)和100ml去离子水)，获得的金相组织中γ基体为灰色，其与硼化物颜色极为接近，只能分辨尺寸较大的硼化物，而细小的硼化物极难分辨。此外，该方法浸蚀时间较难控制，完全依靠操作者经验，稍有操作不当就容易浸蚀不完全或者浸蚀过度，获得组织特征模糊的金相组织照片。此外，该试剂含有强腐蚀性酸，极易危害操作者的身体健康和污染环境。

有研究者采用氢氟酸和硝酸浓度大的腐蚀剂(按体积百分比计，HF:HNO₃:H₂O＝1:2:7)对含硼化物的钛合金进行8～10分钟长时间处理，而后采用扫描电镜观察硼化物。该方法强腐蚀性酸HF和HNO₃浓度大，腐蚀时间长，对操作者身体健康和环境危害大。此外，样品制备复杂，采用扫描电镜观察样品数量有限，检测时间长、效率低、成本高。

也有研究者采用氢氟酸、硼酸水溶液电解腐蚀γ-TiAl合金样品，但该类电解腐蚀剂含有强腐蚀性的氢氟酸，腐蚀时间长，易对操作者和环境易造成危害，并且该类腐蚀剂对硼化物的显示效果不明显。

上述腐蚀剂制备的γ-TiAl基合金金相组织中硼化物与γ相基体颜色差别不大，尺寸细小的硼化物极难分辨，难以清晰、完整地显示γ-TiAl基合金中硼化物的形貌、尺寸和分布特征。此外，上述腐蚀剂均含有强酸或强碱，极易对操作者和环境产生危害。基于上述分析，目前γ-TiAl基合金的金相样品腐蚀制约了其显微组织中硼化物形貌、尺寸和分布的快速检测表征，影响相应合金及其部件中的硼化物形貌调控，乃至部件力学性能提升。

发明内容

为了克服现有γ-TiAl基合金中硼化物金相腐蚀技术的不足，本发明的目的在于提供一种γ-TiAl基合金金相样品中硼化物的显示方法，可快速、清晰、完整显示γ-TiAl基合金中硼化物形貌与分布的金相组织，以解决γ-TiAl基合金中硼化物与γ相基体颜色衬度小、难以分辨的问题，从而为γ-TiAl合金中硼化物形貌和分布调控提供技术基础。

本发明的技术方案是：

一种γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，采用下述步骤实现：

第一步：金相样品的制备

按常规金属材料金相样品制备工艺流程，γ-TiAl基合金的金相样品经水磨砂纸粗磨、精磨后，抛光至镜面，依次采用清水和酒精洗净、吹干；

第二步：样品的电解腐蚀

将制备的γ-TiAl基合金样品作为阳极，纯钛片为阴极，电解腐蚀剂为导电介质，连接直流电源进行电解腐蚀；该电解腐蚀剂由NaOH和去离子水组成NaOH水溶液，NaOH的质量浓度为0.1％～3％，余量为去离子水；

第三步：取电解腐蚀的γ-TiAl基合金金相样品，放置在普通光学金相显微镜上，选择放大倍数200～1000倍，采用明场像聚焦曝光后，观察到明显区别于淡红色γ相基体的红色硼化物金相显微组织。

所述的γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，电解腐蚀剂配置过程为：先称取1～30g的NaOH加入到装有200～500mL去离子水的容器内，用洁净的玻璃棒搅拌均匀使NaOH充分溶解；再向上述容器内加入去离子水稀释至1L，用洁净的玻璃棒搅拌均匀，静置后获得电解腐蚀剂。

所述的γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，电解腐蚀工艺条件为：电解腐蚀剂为室温，电压为15～35V，电解腐蚀时间为10s～20s，电解腐蚀后，立即依次用清水和酒精洗净、吹干。

所述的γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，电解腐蚀工艺条件为：电解腐蚀剂为室温，电压为25～30V，电解腐蚀时间为10s～15s。

本发明的设计思想是：

由于受凝固速率影响，γ-TiAl基合金铸造组织中硼化物形貌略有差别，其中凝固速率快的位置多为细长的弯曲丝带状，凝固速率慢的位置多为短棒状或颗粒状。但在常规金相腐蚀剂Kroll试剂腐蚀下，γ-TiAl基合金铸造组织中硼化物多为灰色，与γ相基体颜色差别不大，较难分辨，特别是细小的硼化物，见图1和图2。

本发明将含硼化物的γ-TiAl基合金金相样品作为阳极，纯钛片作为阴极，采用本发明提供成分的电解腐蚀剂作为导电介质，将样品与纯钛片分别连接直流电源的阳极和阴极，通过调整电压和时间可以控制腐蚀效果，使样品中硼化物显现深红色，明显区别于基体γ相的淡红色和α₂相的白色，便于分辨和判断硼化物尺寸大小、形貌及其分布。由于合金样品电解腐蚀速率均匀，并可通过电解腐蚀电压和时间调控腐蚀效果，最终所制备的样品在普通光学金相显微镜明场像方式下就能获得硼化物为深红色、明显区别于淡红色γ相基体的金相组织照片，见图3、图5、图6和图7。因此，本发明的设备简单、操作简单、可重复性强，能快速、清晰、完整地显示出γ-TiAl基合金中硼化物尺寸、形貌及其分布特征，并且本发明电解腐蚀剂成分简单，成本低廉，不含强腐蚀性的硝酸和氢氟酸，对操作者和环境的危害小。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明电解腐蚀剂对操作者和环境的危害小，所需设备简单，腐蚀过程操作简便易行，实验条件容易控制，可重复性好；既适用于不同成分的γ-TiAl基合金，也适用于不同凝固速率的γ-TiAl基合金铸件。获得的金相组织组成相颜色差别明显，硼化物为深红色，明显区别于基体中淡红色的γ相基体和白色的α₂相，便于快速判断硼化物尺寸大小、形貌特征和分布状态，从而为相关γ-TiAl基合金及其铸件中的硼化物形貌调控打下良好技术基础，提升相关铸件的使役性能。

2、本发明的电解腐蚀剂采用被大量去离子水稀释的NaOH溶液，相比于常规的Kroll试剂，电解腐蚀剂不含腐蚀性强、对人体危害较大的HF和HNO₃，将对操作人员的健康危害和环境污染等安全隐患降到最低；电解腐蚀剂配置简单、成本低廉、腐蚀效果好，室温下短时电解腐蚀即可得到硼化物颜色明显区别于基体的γ-TiAl基合金金相组织；电解腐蚀剂不需液氮冷却，室温下即可操作，试验条件容易控制，操作简单，实验可重复性好；本发明实施简便，不需要特殊设备，采用普通直流电源和常规光学金相显微镜即可获得硼化物颜色明显区别于基体的γ-TiAl基合金金相显微组织，解决了γ-TiAl基合金金相组织中细小硼化物无法辨别、形状尺寸难以统计的难题，有利于科研人员调控硼化物形貌尺寸，促进γ-TiAl基合金及其部件的研制生产。

附图说明

图1采用常规Kroll试剂腐蚀获得的Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金熔模精密铸件薄壁位置金相组织。

图2采用常规Kroll试剂腐蚀获得的Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金熔模精密铸件厚壁位置金相组织。

图3采用本发明电解腐蚀剂观察到的成分为Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金熔模精密铸件薄壁位置的硼化物金相组织。

图4为Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金熔模精密铸件薄壁位置深腐蚀后在扫描电镜下的硼化物二次电子像。

图5采用本发明方法观察到的成分为Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金熔模精密铸件厚壁位置的硼化物金相组织图。

图6采用本发明方法观察到的成分为Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.5B合金熔模精密铸件薄壁位置的硼化物金相组织图。

图7采用本发明方法观察到的成分为Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.5B合金熔模精密铸件厚壁位置的硼化物金相组织图。

具体实施方式

本发明实施例中，所有成分合金的金相样品制备、电解腐蚀剂配置、腐蚀过程和金相显微组织获取的流程相同，具体流程如下：

(1)金相样品研磨抛光：采用线切割从铸件上切取含B元素的γ-TiAl基合金样品，将样品在150#、600#、1200#、2000#的水磨砂纸上逐级研磨，然后进行抛光，确保样品抛光表面无明显划痕和污渍，最后依次用清水和酒精洗净、吹干。

(2)配置电解腐蚀剂：称取1～30g的NaOH，按照电解腐蚀剂成分配比，量取余量的去离子水，将NaOH加入量取的去离子水中，并用干净的玻璃棒搅拌以促进NaOH充分溶解，将混合均匀的溶液静置，得到电解腐蚀剂。

(3)金相样品电解腐蚀：将抛光好的样品连接直流稳压电源阳极，纯钛片连接电源阴极，以上述配置好的电解腐蚀剂为导电介质。将样品观察面和纯钛片平行相对浸入电解腐蚀剂中，二者浸入的面积相当。

(4)在室温下进行电解腐蚀处理，工艺参数设置为：电压15～35V，电解腐蚀时间为5s～20s(根据样品具体情况确定最佳的电解腐蚀时间)。样品电解腐蚀好后，立即用清水和酒精洗净，而后用电吹风吹干，制备的样品表面覆盖一层肉眼可见的蓝色膜层。

(5)将电解腐蚀好的样品放置在光学金相显微镜下观察，选择合适倍数，聚焦、调整曝光和白平衡，获得金相组织照片。

下面，结合实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本实施例中，采用真空感应凝壳熔炼离心铸造Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金，铸件热等静压后切取样品，按常规金属金相样品制备流程研磨抛光，样品洗净吹干后，连接直流电源阳极浸入电解腐蚀剂中进行电解腐蚀。每1L电解腐蚀剂含有20g的NaOH，余量为去离子水。所选择的电解电压为30V，电解腐蚀时间为10s，电解腐蚀后立即用清水和酒精洗净、吹干；如图3所示，在普通光学金相显微镜上进行明场像观察，放大倍率为500×时，铸件薄壁位置获得的硼化物颜色明显区别于基体的金相组织图片；如图5所示，放大倍率为500×时，铸件厚壁位置获得的硼化物颜色明显区别于基体的金相组织图片。

如图1所示，钛合金常规腐蚀剂Kroll试剂腐蚀获得的Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金铸件薄壁位置金相组织，硼化物为浅黑色，与灰色的γ相基体颜色差别不大，长度较大的硼化物宽度小，为细长弯曲丝带状，需要认真对比才可确认，而细小的颗粒状或短棒状硼化物几乎无法分辨。

如图2所示，钛合金常规腐蚀剂Kroll试剂腐蚀获得的Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金铸件厚壁位置金相组织，硼化物为浅黑色，基体γ相为灰色，二者颜色差别不大，硼化物多为短棒状，其宽度略宽于薄壁位置，而细小的短棒状硼化物很难分辨。

如图3所示，Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金铸件薄壁位置金相组织，从图中可见，该位置组织类型为全层片组织，片层晶粒由浅红色γ相和白色α₂相组成，红色硼化物分布在片层晶粒内和晶界位置，大多数硼化物的形貌为细长弯曲丝带状，局部为细小的颗粒状或棒状硼化物，其尺寸不足2μm。

如图4所示，Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金铸件薄壁位置深腐蚀后采用扫描电镜放大10000倍观察到的二次电子像，从图中可见，该位置除了细长弯曲的丝带状硼化物，局部存在颗粒状或短棒状硼化物。验证了图3中尺寸不足2mm的红色颗粒状硼化物存在，这表明本发明快速、有效、完整的显示了γ-TiAl基合金中的各种尺寸、各种形貌的硼化物。

如图5所示，Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金铸件厚壁位置金相组织，从图中可见，该位置组织类型为全层片组织，片层晶粒由浅红色γ相和白色α₂相组成，红色硼化物分布在片层晶粒内和晶界位置，硼化物形貌主要为颗粒状，局部存在棒状，硼化物宽度大于薄壁位置。

实施例2

本实施例中，采用真空感应凝壳熔炼离心浇铸Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.5B合金，铸件在热等静压后切取样品，按常规金属材料金相样品制备流程研磨抛光，样品洗净吹干后，连接直流电源阳极浸入电解腐蚀剂中电解腐蚀。每1L电解腐蚀剂含有30g的NaOH，余量为去离子水。所选择的电解电压为25V，电解腐蚀时间为20s，之后立即用清水洗净、吹干；如图6所示，在普通光学金相显微镜上进行明场像观察。放大倍率为500×时，铸件薄壁位置获得的硼化物颜色明显区别于基体的金相组织图片；如图7所示，放大倍率为500×时，铸件厚壁位置获得的硼化物颜色明显区别于基体的金相组织图片。

如图6所示，Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.5B合金铸件薄壁位置金相组织，从图中可见，该位置组织类型为全层片组织，片层晶粒由浅红色γ相和白色α₂相组成，晶界存在亮白色的β/B2相，红色硼化物分布在晶界位置，晶粒内硼化物较少；硼化物的主要形貌为细长弯曲丝带状，局部可见颗粒状硼化物。

如图7所示，Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.5B合金铸件厚壁位置金相组织，从图中可见，该位置组织类型为全层片组织，晶界存在少量细小的浅红色等轴γ晶粒，片层晶粒由浅红色γ相和白色α₂相组成，红色硼化物主要分布晶界位置，少量分布在晶粒内；硼化物形貌主要为颗粒状，局部存在短棒状，硼化物宽度与薄壁位置相差不大。

实施例结果表明，与常规的浸蚀方法相比，本发明电解腐蚀剂对操作者和环境的危害小，采用的设备简单，电解腐蚀过程操作简单、易于控制、可重复性好，最终获得的γ-TiAl基合金金相组织中硼化物为深红色，明显区别于淡红色的γ相基体和白色的α₂相，极大地提高了硼化物的辨识率，便于统计分析硼化物形貌、尺寸和分布。

Claims (4)

1.一种γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，其特征在于，采用下述步骤实现：

第一步：金相样品的制备

按常规金属材料金相样品制备工艺流程，γ-TiAl基合金的金相样品经水磨砂纸粗磨、精磨后，抛光至镜面，依次采用清水和酒精洗净、吹干；

第二步：样品的电解腐蚀

将制备的γ-TiAl基合金样品作为阳极，纯钛片为阴极，电解腐蚀剂为导电介质，连接直流电源进行电解腐蚀；该电解腐蚀剂由NaOH和去离子水组成NaOH水溶液，NaOH的质量浓度为0.1％～3％，余量为去离子水；

第三步：取电解腐蚀的γ-TiAl基合金金相样品，放置在普通光学金相显微镜上，选择放大倍数200～1000倍，采用明场像聚焦曝光后，观察到明显区别于淡红色γ相基体的红色硼化物金相显微组织。

2.根据权利要求1所述的γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，其特征在于，电解腐蚀剂配置过程为：先称取1～30g的NaOH加入到装有200～500mL去离子水的容器内，用洁净的玻璃棒搅拌均匀使NaOH充分溶解；再向上述容器内加入去离子水稀释至1L，用洁净的玻璃棒搅拌均匀，静置后获得电解腐蚀剂。

3.根据权利要求1所述的γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，其特征在于，电解腐蚀工艺条件为：电解腐蚀剂为室温，电压为15～35V，电解腐蚀时间为10s～20s，电解腐蚀后，立即依次用清水和酒精洗净、吹干。

4.根据权利要求1所述的γ-TiAl基合金中硼化物的显示方法，其特征在于，电解腐蚀工艺条件为：电解腐蚀剂为室温，电压为25～30V，电解腐蚀时间为10s～15s。

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