近年来,钛及钛合金作为轻质、高强度、高耐蚀性结构材料,在航空航天、海洋、石油化工等较多领域被广泛应用。因此,常常涉及钛和钛合金的原材料检查,钛设备及其零部件的产品质量控制与检验,以及在役设备的检测与失效分析。但一般金相分析参考书上有关钛及钛合金的介绍较少,因此只好借鉴碳钢和不锈钢的金相制样方法,即先采用手工磨制,用金相砂纸从粗到细研磨,然后进行抛光。但由于钛材不同于钢,其磨面易在低应变下产生孪晶、形变与疵点,细微划痕很难消除,易造成假象;采用Kroll试剂(1～3%HF,2～6%HNO3水溶液),往往侵蚀不均,在显微镜下所观察的组织模糊不清,常常困扰分析人员。因此应寻求一套实用有效的钛的金相制样技术。笔者经多年实践,采用下述方法制备钛及钛合金的试样.

        制样方法

        1 研磨

        采用水或油润湿金相砂纸,从粗到细研磨。

        2 抛光

        2.1 机械化学抛光

        (1)先用金刚石研磨膏粗抛光,再用氧化铝抛光剂精抛光,然后把样品浸渍于HF(1ml)+H2O(10～20ml)溶液中数秒,再用上述氧化铝抛光剂完成精抛光,可反复多次。

        (2)把HF(1ml)+H2O(10～20ml)溶液缓慢滴入旋转的磨盘中,同时用氧化铝抛光剂完成精抛光。

        (3)先用棉球蘸化学抛光液(HF∶HNO3∶乳酸=1∶1∶3)擦拭几秒,再在只加水或稍加氧化铝抛光剂的磨盘中将试样抛光成有光泽的镜面。

        2.2 电解抛光

        如不进行机械化学抛光,则可选用电解抛光。电解抛光规程:直流电压30～35V,样品作阳极,大块钛作阴极,采用6ml高氯酸+94ml冰醋酸混合液,室温(<15°C0°C),时间1min。电解抛光完毕,取出试样,这时磨面上会覆盖一层浅黄色膜,立即用水冲至露出镜面。

        3 化学侵蚀

        试剂配方:①HF(1ml)+HNO3(12ml)+H2O(50～60ml)混合液;②HF(2ml)+HNO3(2ml)+甘油(6ml)混合液,现配现用。将上述抛光好的样品,置于①或②侵蚀剂中侵蚀,能得到层次鲜明的晶界与氢化物小片。

        钛设备现场金相分析技术

        1 现场金相分析的特点

        石化装置中某些关键的钛制反应器,停车检修时往往需要进行金相分析。但钛设备现场金相分析技术要求比碳钢与不锈钢的高,因为关键钛设备内壁不允许损坏取样,且其衬层或覆层很薄,尽可能不用手提砂轮打磨。由于受现场防爆及其它条件所限,设备内不能用220V电源,故难以采用电动研磨与电解抛光(当然可用干电池)。又由于钛没有磁性,携带式金相显微镜不能固定放稳,聚焦困难,不能直接观察,采用复膜以显示现场设备材料的组织。

        2 现场金相分析工艺

        钛设备现场金相分析的主要程序:试样磨制→化学抛光兼擦蚀→清洁干燥→复膜→金相观察与照象。

        2.1 试样磨制  钛设备衬层、覆层或零部件均较光滑平整,可直接用从粗到细的金相砂纸研磨,为抛光作准备。

        2.2 化学抛光兼擦蚀

        钛的化学抛光液早有报道,如采用HF(1份)+HNO3(1份)[4]或采用HF(1份)+HNO3(1份)+乳酸(3份)等配方,虽然能消除样品磨痕,但会冒黄烟。为此笔者经试验,用HF(1份)+HNO3(0.5份)+H2O(1份)+乳酸(1份)+甘油(0.5份)的混合液配比[5],用竹镊子夹棉球蘸上述混合液反复擦拭磨面1～2min,划痕即可消除,磨面稍变色,即已侵蚀出组织。

        2.3 清洁干燥

        在化学抛光并擦蚀前后用丙酮擦洗待分析试样表面,并用电吹风吹干。

        2.4 复膜

        在擦蚀并清洁干燥的待检部位,用注射针筒喷淋丙酮,并立即小心覆上一小块醋酸纤维透明薄膜,待干透后用不锈钢镊子小心揭下,夹在书中压好,以备显微观察。

        2.5 金相观察及摄象

        将制好的复膜用胶纸平整地粘贴在小玻璃板上,即可在一般金相显微镜下观察与摄象。但复膜背面要衬一小镜,对金相显微镜如日本奥林巴斯,由于其具有背反射,则可直接观察。

        讨论

        (1)纯钛及A钛合金,因其A相易产生孪晶,故用水或油来润滑砂纸,避免研磨样品发热诱发孪晶。

        (2)在精抛光前把钛样品浸渍于HF+H2O或HF+HNO3+H2O溶液中,由于离子化的氟化物能与钛原有的氧化膜反应,使其迅速活化,并能压制新的氧化膜产生,即避免钛试样抛光面出现污染,以保证随后浸渍质量。

        (3)电解抛光较机械抛光耗时少,且能消除样品表面产生的扰乱层,抛光后的镜面质量好,对原始磨面要求低。但在配制和处理高氯酸与冰醋酸混合液时,要注意,避免升温在低温下操作,除减少表面点蚀外,重要的是避免爆炸。

        (4)只采用化学抛光,试样磨面虽然磨痕初步去除,但同时亦侵蚀出组织,这对(小于100倍)一般的金相分析可满足要求,但对要求较高的检验,观察高倍组织尚嫌不足。因为化学抛光表面仍存在一定的波形,高倍观察聚焦困难,所以可再进行短时机械精抛光,即可达镜面。

        (5)钛设备现场金相可采用手工磨制、化学抛光兼侵蚀、复膜与金相观察与摄象等程序。化学抛光采用氢氟酸、硝酸、过氧化氢、乳酸与甘油混合溶液。

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