CN112665953B

CN112665953B - 一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂及腐蚀方法

Info

Publication number: CN112665953B
Application number: CN202011181523.2A
Authority: CN
Inventors: 尹西岳; 王帅; 李婷; 顾晓春
Original assignee: Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2040-10-29
Also published as: CN112665953A

Abstract

本发明公开了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂及腐蚀方法，属于金属材料金相分析技术领域，解决了现有的腐蚀剂及腐蚀方法不能清晰地显示Ti60钛合金氧化层的金相组织的问题。金相组织腐蚀剂包括浓硫酸、氢氟酸和水；各组分的体积比为：浓硫酸：氢氟酸：水为8‑12：8‑12：70‑90。本发明的腐蚀剂和腐蚀方法能够快速、清晰的腐蚀出Ti60钛合金氧化层的金相组织，且易操作，无毒。

Description

一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂及腐蚀方法

技术领域

本发明属于金属材料金相分析技术领域，具体地涉及一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂及腐蚀方法。

背景技术

随着我国航空航天技术的大力发展，对飞行器飞行速度有了更高的要求，因此对飞行器表面耐高温性能提出了更高的要求。钛合金因其低密度、高强度、耐热性好等特点，经常被选用制造飞行器蒙皮。Ti60钛合金是在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金的基础上加入一定量的β同晶元素Nb和Ta，Ti60钛合金是一种可在600℃长期使用的近α型钛合金。该合金同时具备α型钛合金良好的蠕变性能和α+β型钛合金的高强度，热强性和热稳定性可达到良好匹配。因此在飞行器上得以广泛应用。但该型钛合金合金化程度高，冷成型较为困难，加工窗口狭窄，通常情况下800℃预热若干小时后再做成型。然而800℃的成型温度会使得钛合金表层被氧化，显微组织发生变化，即便涂敷防护涂料，也会被氧化。而氧化层将严重影响结构的机械性能。因此，检测钛合金的氧化层的显微组织，测量氧化层深度对后续工作有很强的指导意义。

金相组织分析是判断氧化层厚度和氧化层显微组织的重要手段。通过金相组织分析，可以观察氧化层的厚度和显微组织，进而帮助寻找产品产生缺陷的原因及优化生产工艺参数。金相试样的腐蚀效果是金相组织缺陷分析、测量尺寸的关键因素。腐蚀效果主要取决于用什么物质及其配比。如果选取的物质不合适，无论怎样的配比，均不能腐蚀出试样的组织；即使选对了物质，配置比例过高，则易形成过腐蚀，组织一片漆黑，相与相之间没有衬度；反之，如果配置比例过低，则组织腐蚀不出想要的效果，无法清晰的观察组织。腐蚀过程中，腐蚀时间过长会形成过腐蚀，腐蚀时间过短，无法清晰的观察组织；因此，要想清晰的观察到组织，腐蚀剂的配置及腐蚀方法极其关键。

现有技术中，Kroll’s试剂(1％-3％HF+2％-6％HNO₃水溶液)经常被用来腐蚀钛合金显微组织，但申请人经过研究发现，采用Kroll’s试剂作为腐蚀剂，Ti60钛合金边缘的氧化层组织腐蚀效果也不理想。

因此，找到一种能够清楚显示Ti60钛合金边缘的氧化层组织的腐蚀剂及腐蚀方法具有重要的意义，清楚的显示Ti60钛合金边缘的氧化层组织及氧化层厚度能够为此类合金品质评定，及制定合理的热处理制度提供依据，从而有效地控制晶粒大小并获得优异的组织和性能。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂及腐蚀方法，能够解决以下问题：现有的Ti60钛合金腐蚀剂及腐蚀方法不能清晰地显示Ti60钛合金氧化层的金相组织。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂，所述金相组织腐蚀剂包括浓硫酸、氢氟酸和水。

进一步的，所述金相组织腐蚀剂中各组分的体积比为：浓硫酸：氢氟酸：水为8-12：8-12：70-90。

进一步的，所述浓硫酸的质量浓度为98％。

进一步的，所述金相组织腐蚀剂采用如下方法制备：

步骤1、根据配比将蒸馏水加入烧杯中；

步骤2、根据配比将浓硫酸加入水中，搅拌、混合均匀；

步骤3、根据配比将氢氟酸加入步骤2得到的混合液中，搅拌、混合均匀，得到金相组织腐蚀剂。

另一方面，本发明还提供了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀方法，包括：

S1、沿Ti60钛合金板材的横向切取试样；

S2、利用不同粒度的金相水砂纸对试样进行研磨；

S3、在抛光机上对试样进行抛光；

S4、用清水对抛光好的试样表面进行冲洗，随后再用无水乙醇冲洗；

S5、将冲洗后的试样表面置入配置好的Ti60钛合金的金相组织腐蚀剂中，浸泡；

S6、立即用清水对腐蚀后的试样表面进行冲洗，随后再用无水乙醇冲洗；

S7、吹干被腐蚀的表面，用金相显微镜观察组织。

进一步的，所述S7中，用吹风机吹干被腐蚀的表面。

进一步的，所述S1中，切取试样的过程中，避免对试样的组织的影响。例如，采用水冷防止过热对组织的影响。

进一步的，所述S2中，按照金相水砂纸的粒度由粗到细依次进行研磨。

进一步的，所述S2中，按照金相水砂纸的粒度为280目、400目、 500目、600目、800目、1000目、1200目的顺序由粗到细依次进行研磨。

进一步的，所述S3中，采用金刚石喷雾研磨剂作为介质。

进一步的，所述S5中，浸泡5-10s。

进一步的，所述Ti60钛合金的元素组分质量百分比范围为：Al： 5.2％-6.2％，Sn：3.0％-4.5％，Zr：2.5％-4.0％，Mo：0.2％-1.0％，Si：0.2％-0.6％，Ta：0.2％-1.5％，Nb：0.2％-0.7％，C：0.02％-0.08％％，Fe≤0.25％，O≤0.15％， N≤0.05％，H≤0.012％，余量为Ti。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下有益效果之一：

1)本发明以浓硫酸、氢氟酸、蒸馏水的混合液作为腐蚀剂，不需要使用金属盐类，因此不会在腐蚀面留下电化学反应置换出的金属粒子，从而避免了金属粒子对金相组织的观察的影响。

2)本发明的腐蚀剂不需要使用有毒物质，保证了操作者的人身安全。

3)本发明提供的腐蚀方法通过常温腐蚀就能够快速、清晰的腐蚀出 Ti60钛合金氧化层的金相组织，无需加热、不需要电解腐蚀，提高了易操作性；腐蚀出的组织清晰，相界、晶界清晰可见，能较好的反映缺陷情况及热成型质量，便于利用金相显微镜准确的测量氧化层的厚度；根据组织和氧化层的厚度为制定合理的热处理制度提供依据，最终有效地控制Ti60钛合金的金相组织，获得优异的组织和性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书和说明书附图中所特别指出的内容来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的实施例3中Ti60钛合金的腐蚀效果图；

图2为本发明的实施例4中Ti60钛合金的腐蚀效果图；

图3为本发明的对比例1中Ti60钛合金的腐蚀效果图；

图4为本发明的对比例2中Ti60钛合金的腐蚀效果图；

图5为本发明的对比例3中Ti60钛合金的腐蚀效果图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

目前，Ti60钛合金的金相组织腐蚀剂主要有Kroll’s试剂 (1％-3％HF+2％-6％HNO₃水溶液)。申请人经过长期深入研究发现现有的Kroll’s试剂及腐蚀方法不能很好地显示Ti60钛合金边缘的氧化层组织，无法清晰识别组织中的相组成、缺陷，不能对氧化层厚度进行精准测量。

本发明提供了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂，包括浓硫酸、氢氟酸和水。

考虑到浓硫酸和氢氟酸的浓度过大，易形成过腐蚀，组织一片漆黑，相与相之间没有衬度；浓度过小，组织腐蚀过浅，无法清晰的观察组织。因此，控制上述金相组织腐蚀剂中各组分的体积比为：浓硫酸：氢氟酸：水为8-12：8-12：70-90，例如12：10：78，8：12：80，11：10：81。

为了保证腐蚀效果，优选的，上述金相组织腐蚀剂中各组分的体积比为：浓硫酸：氢氟酸：水为10：10：80。

与现有技术相比，本发明的金相组织腐蚀剂采用浓硫酸、氢氟酸和水，这是因为Ti60钛合金氧化层的组织主要为α相组织；而基体组织为α+β双相组织，采用浓硫酸配置腐蚀剂能够突出α相，进而使氧化层和基体间界限分明。

具体的，上述浓硫酸的质量浓度为98％，氢氟酸的质量浓度为40％。

需要说明的是，为了防止引入过多杂质，导致酸的活性降低，影响腐蚀剂的腐蚀效果，水选用蒸馏水。

具体的，上述Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂的制备方法包括如下步骤：

步骤1、根据配比将蒸馏水加入烧杯中；

步骤2、根据配比将浓硫酸加入水中，搅拌、混合均匀；

步骤3、根据配比将氢氟酸加入步骤2得到的混合液中，搅拌、混合均匀，得到Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂。

需要说明的是，上述步骤2和步骤3的顺序不能调换，这是因为氢氟酸虽然是弱酸，但腐蚀性较强，易挥发，先加入容易挥发掉。

本发明还提供了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀方法，包括如下步骤：

S1、沿Ti60钛合金板材的横向切取试样；

S2、利用不同粒度的金相水砂纸对试样进行研磨；

S3、在抛光机上用金刚石喷雾研磨剂对试样进行抛光；

S5、将冲洗后的试样表面置入配置好的Ti60钛合金的金相组织腐蚀剂中，浸泡5-10s；

S7、用吹风机吹干被腐蚀的表面，用金相显微镜观察组织。

具体的，上述S1中，Ti60钛合金的元素组分质量百分比范围为：Al： 5.2％-6.2％，Sn：3.0％-4.5％，Zr：2.5％-4.0％，Mo：0.2％-1.0％，Si：0.2％-0.6％， Ta：0.2％-1.5％，Nb：0.2％-0.7％，C：0.02％-0.08％％，Fe≤0.25％，O≤0.15％， N≤0.05％，H≤0.012％，余量为Ti。

具体的，上述S1中，试样可采用多种方法切取(优选的，使用线切割)，切取试样的过程中，应避免切取试样时对试样的组织的影响(例如过热等)，可在切取时采取预防措施(例如水冷)，也可以在切取后去除这些影响。

考虑到试样过大或过小均不利于抛光，因此上述S1中，切取的试样的长度控制为10-30mm，高度为10mm-15mm。

具体的，上述S2中，考虑到试样的形状不规则，研磨抛光的时候不容易操作，因此，可以采用镶嵌机将S1中切取的试样镶嵌成规则圆形试样后，再利用不同粒度的金相水砂纸对试样进行研磨。

具体的，上述S2中，按照金相水砂纸的粒度为280目、400目、500 目、600目、800目、1000目、1200目的顺序由粗到细依次进行研磨。

具体的，上述S3中，用金刚石喷雾研磨剂作为介质，在4000r/min 的抛光机上对研磨好的试样进行抛光至试样表面光亮，无划痕时，改用清水作为研磨介质，使腐蚀面出光(出光是指使表面光亮，无研磨剂残留，无抛光用呢子布碎屑残留)。

具体的，上述S5中，浸泡的时间过长会造成组织过黑，无法清晰观察；浸泡的时间过短腐蚀过浅，因此，控制浸泡的时间为5-10s。

具体的，上述S6中，用清水对S5中得到的试样进行冲洗至表面没有腐蚀液体残留后，再一边用蘸有无水乙醇的脱脂棉擦拭或冲洗试样表面，一边用吹风机吹干。此处清水冲洗后再用乙醇冲洗，吹干后试样表面无残留水印痕迹，更有利于观察组织；采用脱脂棉擦拭一方面是将影响后续观察的腐蚀产物擦干净，另一方面是避免带入油脂和划痕。

与现有技术相比，本发明提供的金相组织腐蚀剂和腐蚀方法通过常温腐蚀就能够快速、清晰的腐蚀出Ti60钛合金氧化层的金相组织，无需加热、不需要电解腐蚀，提高了易操作性；腐蚀出的组织清晰，相界、晶界清晰可见，能较好的反映缺陷情况及热成型质量，便于利用金相显微镜准确的测量氧化层的厚度；根据组织和氧化层的厚度为制定合理的热处理制度提供依据，最终有效地控制Ti60钛合金的金相组织，获得优异的组织和性能。

本发明以浓硫酸、氢氟酸、蒸馏水的混合液作为腐蚀剂，不需要使用金属盐类，因此不会在腐蚀面留下电化学反应置换出的金属粒子，从而避免了金属粒子对金相组织的观察的影响。

本发明的腐蚀剂不需要使用有毒物质，保证了操作者的人身安全。

实施例1

本实施例提供了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂，腐蚀剂的各组成成分为浓硫酸：10ml、氢氟酸：10ml、蒸馏水：80ml。

腐蚀剂的制备方法：

步骤1、将80ml蒸馏水加入烧杯中；

步骤2、将10ml浓硫酸加入水中，搅拌、混合均匀；

步骤3、将10ml氢氟酸加入步骤2得到的混合液中，搅拌、混合均匀，得到Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂。

实施例2

本实施例提供了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂，腐蚀剂的各组成成分为浓硫酸：12ml、氢氟酸：8ml、蒸馏水：80ml。

腐蚀剂的制备方法同上述实施例1。

实施例3

本实施例用于对Ti60钛合金试样进行腐蚀，采用上述实施例1的腐蚀剂。Ti60钛合金的腐蚀方法包括以下步骤：

S1、沿Ti60钛合金板材的横向切取试样；试样为长方形，尺寸为20mm×15mm；

S2、利用不同粒度的金相水砂纸对试样进行研磨；

S3、在4000r/min的抛光机上用金刚石喷雾研磨剂对试样进行抛光至试样表面光亮，无划痕时，改用清水作为研磨介质，使腐蚀面出光；

S5、将冲洗后的试样表面置入配置好的Ti60钛合金的金相组织腐蚀剂中，浸泡8s；

S7、用吹风机吹干被腐蚀的表面，用金相显微镜观察组织。

图1为本实施例的试样腐蚀后的金相组织图，由图1可看出采用本发明的腐蚀剂和腐蚀方法能够清晰显示出晶界和氧化层。

实施例4

本实施例用于对Ti60钛合金试样进行腐蚀，采用上述实施例2的腐蚀剂。Ti60钛合金的腐蚀方法同上述实施例3，不同之处在于，S5中，浸泡5s。其他步骤在此不再赘述。

图2为本实施例的试样腐蚀后的金相组织图，由图2可看出采用本发明的腐蚀剂和腐蚀方法能够清晰显示出晶界和氧化层。

对比例1

本对比例提供了一种现有的Kroll’s试剂，腐蚀剂的各组成成分为浓硝酸：6ml、氢氟酸：3ml、水：100ml。

本对比例采用上述Kroll’s试剂对Ti60钛合金试样进行腐蚀，腐蚀时间5s。

图3为本对比例的试样腐蚀后的金相组织图，由图3可看出，使用此腐蚀剂无法清晰的腐蚀出氧化层。

对比例2

本对比例提供了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂，腐蚀剂的各组成成分为浓硫酸：3ml、氢氟酸：10ml、蒸馏水：87ml。

腐蚀剂的制备方法同上述实施例1。

本对比例采用上述腐蚀剂对Ti60钛合金试样进行腐蚀，腐蚀时间5s。

图4为本对比例的试样腐蚀后的金相组织图，由图4可看出，使用此腐蚀剂虽然能腐蚀出氧化层，但氧化层和基体之间的界限不明显，容易造成测量误差。

对比例3

本对比例提供了一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂，腐蚀剂的各组成成分为浓硫酸：20ml、氢氟酸：5ml、蒸馏水：75ml。

腐蚀剂的制备方法同上述实施例1。

图5为本对比例的试样腐蚀后的金相组织图，由图5可看出，使用此腐蚀剂容易造成过腐蚀，使氧化层与基体较难区分。

对比图1至图5发现，本发明的Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀剂及腐蚀方法能够快速、清晰的腐蚀出Ti60钛合金氧化层的金相组织，无需加热、不需要电解腐蚀，提高了易操作性；腐蚀出的组织清晰，相界、晶界清晰可见，能较好的反映缺陷情况及热成型质量，便于利用金相显微镜准确的测量氧化层的厚度；根据组织和氧化层的厚度为制定合理的热处理制度提供依据，最终有效地控制Ti60钛合金的金相组织，获得优异的组织和性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀方法，其特征在于，包括：

S1、沿Ti60钛合金板材的横向切取试样；

S2、利用不同粒度的金相水砂纸对试样进行研磨；

S3、在抛光机上对试样进行抛光；

S7、被腐蚀的表面，用金相显微镜观察组织；

所述S5中，金相组织腐蚀剂中各组分的体积比为：浓硫酸：氢氟酸：水为8-12：8-12：70-90；所述浓硫酸的质量浓度为98％，所述氢氟酸的质量浓度为40％；

所述金相组织腐蚀剂通过常温腐蚀能够清晰的腐蚀出Ti60钛合金边缘的氧化层的金相组织。

2.根据权利要求1所述的Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀方法，其特征在于，所述金相组织腐蚀剂采用如下方法制备：

步骤1、根据配比将蒸馏水加入烧杯中；

步骤2、根据配比将浓硫酸加入水中，搅拌、混合均匀；

3.根据权利要求1所述的Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀方法，其特征在于，所述S1中，切取试样的过程中，避免对试样的组织的影响。

4.根据权利要求1所述的Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀方法，其特征在于，所述S2中，按照金相水砂纸的粒度由粗到细依次进行研磨。

5.根据权利要求1所述的Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀方法，其特征在于，所述S3中，采用金刚石喷雾研磨剂作为介质。

6.根据权利要求1-5任一项所述的Ti60钛合金氧化层的金相组织腐蚀方法，其特征在于，所述Ti60钛合金的元素组分质量百分比范围为：Al：5.2％-6.2％，Sn：3.0％-4.5％，Zr：2.5％-4.0％，Mo：0.2％-1.0％，Si：0.2％-0.6％，Ta：0.2％-1.5％，Nb：0.2％-0.7％，C：0.02％-0.08％％，Fe≤0.25％，O≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.012％，余量为Ti。