鈦和鈦合金的金相樣品制備
摘要：鈦及鈦合金的金相樣品制備比鋼更困難，其磨光和拋光效率非常低。過度劇烈的切割和磨光過程都會在α相中產(chǎn)生形變孿晶。對于純度相對較高的純鈦采用冷鑲嵌的方法比熱壓力鑲嵌更為適合，因?yàn)闊釅毫﹁偳队锌赡芨淖兗冣佒袣湓氐暮亢头植肌Ｌ貏e對于純鈦而言，在樣品制備過程中想要去除劃痕和塑性流變非常困難。

鈦及鈦合金由于其具有低密度、優(yōu)異的強(qiáng)度與重量比、良好的耐腐蝕性和高的機(jī)械強(qiáng)度。所以其商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有50余年的歷史。其缺點(diǎn)是鈦及鈦合金的生產(chǎn)成本非常昂貴。鈦和鐵一樣具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，像鋼一樣，鈦也可以進(jìn)行熱處理。

而合金元素對低溫的α相和高溫的β相的穩(wěn)定性都有一定的影響作用。在常溫下，鈦及鈦合金其穩(wěn)定相以含合金α、α-β和β相存在，另外兩種相是：近α和近β相。
鈦及鈦合金的金相樣品制備比鋼更困難，其磨光和拋光效率非常低。過度劇烈的切割和磨光過程都會在α相中產(chǎn)生形變孿晶。對于純度相對較高的純鈦采用冷鑲嵌的方法比熱壓力鑲嵌更為適合，因?yàn)闊釅毫﹁偳队锌赡芨淖兗冣佒袣湓氐暮亢头植肌Ｌ貏e對于純鈦而言，在樣品制備過程中想要去除劃痕和塑性流變非常困難。

在早期的機(jī)械拋光工藝相當(dāng)耗時，而且?guī)缀跛械臋C(jī)械拋光方法在zui后一步或zui后兩步拋光過程中使用含有侵蝕劑的拋光液。常用的化學(xué)腐蝕拋光劑參見文獻(xiàn)6，電解拋光的方法往往能夠得到較好的拋光表面。但是在電解拋光過程中電解液存在著一定得危險，這些電解液也具有一些化學(xué)拋光的作用。對于鈦及鈦合金的常用的電解液和化學(xué)拋光液參見文獻(xiàn)6。

二十世紀(jì)70年代和80年代，鈦及鈦合金的機(jī)械拋光方法仍舊延續(xù)著老的拋光方法，Springer 和Ahmed在1984年發(fā)表了關(guān)于鈦及鈦合金的拋光方法文章。

這就是三步的樣品拋光方法，假設(shè)使用320grit砂紙來完成樣品的磨平工序，但是情況可能不一定總是這樣。如果樣品切割時使用的是超薄的切割片或者是粘接強(qiáng)度合適的砂輪切割片，其切割表面平整且其損傷層zui小，這時可以使用320grit砂紙來完成樣品的磨平工序。如果切割后的表面粗糙且損傷層較大，例如：使用帶鋸切割就可能產(chǎn)生這樣的結(jié)果，此時就必須使用顆粒更粗的砂紙和花費(fèi)一定的時間來去除損傷層。

Springer 和Ahmed使用的鈦及鈦合金的拋光方法，具體如下：
1，磨平，使用320grit砂紙水冷，磨制2~3分鐘，去除切割產(chǎn)生的損傷層，并使樣品表面平坦。
2，粗拋光，把9μm的METADI金剛石拋光膏預(yù)先涂抹在帶孔的TEXMET拋光布上，使用蒸餾水做為冷卻潤滑劑，拋光鈦和鈦合金的金相樣品制備
Written by:
George Vander Voort （Buehler Ltd）
Tech-Notes
Using Microstructural Analysis to Solve Practical Problem10~15分鐘。
3，zui終拋光，使用MICROCLOTH或者M(jìn)ASTERTEX拋光布，添加MASTERMET二氧化硅懸浮拋光液，拋光10~15分鐘。
但是，非常遺憾的是，他們在文章中并未提到在每步過程中，樣品上的壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速和拋光盤旋轉(zhuǎn)方向等參數(shù)。
此后G. Müller開發(fā)了鈦合金的三步拋光方法，如果切割后的樣品損傷層zui小且切割表面平坦，僅僅通過三步就可以完成拋光過程。例如：在樣品夾持器上同時夾持6個直徑30mm（1.25英寸）樣品：
1，P500砂紙水冷卻，轉(zhuǎn)速300 rpm、每個樣品上的壓力 16.7N（3.75lb）、制備時間所有樣品磨平為止。
2，P1200砂紙水冷卻，轉(zhuǎn)速300 RPM、每個樣品上的壓力 16.7N（3.75lb）、制備時間30S。
3，使用人工合成無絨毛拋光布+含有化學(xué)腐蝕劑的二氧化硅懸浮拋光液，拋光機(jī)轉(zhuǎn)速150 RPM，拋光時間：每個樣品上壓力 33N（7.5lb）10分鐘，每個樣品上壓力 16.7N（3.75lb）2分鐘，每個樣品上壓力 8N（2lb）1分鐘。
4，拋光劑成分：260ml SiO2+40ml H2O2 （濃度30%）,1ml HNO3 + 0.5mL HF。FEPA標(biāo)準(zhǔn)的P500和P1200砂紙粒度，分別對應(yīng)ANSI/CAMI標(biāo)準(zhǔn)320/360 和600 grit砂紙。
樣品制備實(shí)例
Springer 和 Ahmed制備方法：
zui初對Springer 和 Ahmed制備方法的關(guān)注僅局限于如何改進(jìn)和提升這種制備方法。由于帶孔的TEXMET拋光布現(xiàn)在已經(jīng)不再使用，所以必須使用其他制備表面取代。而且在已經(jīng)發(fā)表的制備方法中并未提到拋光機(jī)底盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向和壓力等參數(shù)。
1，使用320grit SiC砂紙，水冷，轉(zhuǎn)速240 RPM，同向轉(zhuǎn)動*，壓力：27N（6lbs）/每個樣品，直到樣品磨平為止。
2，粗拋光過程：9μm METADI金剛石拋光液+ METADI拋光潤滑劑，使用ULTRA-PAD拋光表面，轉(zhuǎn)速120 RPM, 反向轉(zhuǎn)動**，壓力：27N（6lbs）/每個樣品，時間10min。Tech-Notes Volume3, Issue3  《鈦和鈦合金的金相樣品制備》
幸運(yùn)的是現(xiàn)在有許多可供選擇的方法和材料能夠用于Al合金樣品制備,而且制備步驟更少。 *個實(shí)例展示的是用五步制備方法得到質(zhì)量非常好（印刷質(zhì)量）的一個樣品。 后面還有四步和三步制備樣品插圖，由于制備步驟減少，樣品制備質(zhì)量也有所降低。
3，zui終拋光過程：在MICROCLOTH拋光表面上，使用MASTERMET 2二氧化硅拋光液， 轉(zhuǎn)速120 RPM, 反向轉(zhuǎn)動，壓力：27N（6lbs）/每個樣品，時間10min。
*  同向轉(zhuǎn)動是指，拋光機(jī)動力頭轉(zhuǎn)動方向與拋光機(jī)底盤轉(zhuǎn)動方向相同。
** 反向轉(zhuǎn)動是指，拋光機(jī)動力頭轉(zhuǎn)動方向與拋光機(jī)底盤轉(zhuǎn)動方向相反。

對于鈦合金，使用上述方法雖然拋光后還有一些劃痕存在，但是其效果還是完夠滿足要求的。如果CP級的純鈦使用上述樣品制備方法，就不能達(dá)到要求了，如下圖1所示：
在第二步和第三步之間加上一步3μm金剛石拋光序，對于α相鈦合金和CP級的純鈦沒有太大作用。無論你使用質(zhì)地硬的無毛還是質(zhì)地軟的有毛織物，對于純鈦樣品結(jié)果一樣的。如果在第二步使用這種ULTRA-POL拋光布那么結(jié)果樣品上的劃痕會減少許多，這樣的結(jié)果對于純鈦的樣品也是不錯的。在第二步拋光使用TEXMET 1000拋光布也與ULTRA-POL拋光布具有幾乎同樣的效果。圖2顯示的是同一個樣品試用不同拋光布得到的成功的實(shí)例。320grit SiC砂紙（*步），粗拋光使用9μm金剛石拋光液（第二步），使用的拋光布分別為ULTRA-PAD, ULTRA-POL 和 TEXMET 1000。由此可見第二步拋光，的拋光布應(yīng)該是ULTRA-POL 和 TEXMET 1000，二者的效果幾乎相當(dāng)。

圖3 顯示的是另一個實(shí)例，兩個樣品的第二步使用ULTRA-POL第三步使用MICROCLOTH 拋光布，化學(xué)拋光劑： 0.5% HF水溶液， CP級的純 Ti （圖 3b）中的α晶粒彩色腐蝕。
在高放大倍數(shù)下可以觀察到α晶粒凸凹起伏，第三步使用MICROCLOTH? 拋光布可以得到相當(dāng)不錯的效果。如果使用 Kroll’s 侵蝕劑代替 0.5% HF, CP級的純 Ti中的α晶界可以顯示出來而不是彩色侵蝕，但是注意，只有在樣品制備接近完成才進(jìn)行侵蝕，圖4 顯示的是α-β 相合金，α-相合金和一個CP級的純鈦樣品，其中α-β 相合金樣品制備全部完成，但是α-相合金和一個CP級的純鈦樣品制備效果不佳。

圖1：使用 3-步制備方法 a） Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo （977°C, 風(fēng)冷, 593°C - 8h, 空冷, 500x） 顯微組織清晰; b） CP 純Ti （ASTM F67, 2級, 1040°C 退火） 未添加化學(xué)侵蝕劑（0.5% HF ）不能顯示顯微組織（200x）
圖 2. 第二步使用9μm METADI金剛石對 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo樣品使用不同拋光布后的，拋光效果a） ULTRA-PAD, b） ULTRA-POL, 和c） TEXMET 1000   （200x）.
圖 3. 使用三步拋光工序，期間沒有使用化學(xué)拋光劑的拋光樣品實(shí)例 （第三步使用 MICROCLOTH 拋光布）  a） 軋制的 Ti-8Al-1Mo-1V （500x）; and, b） CP 級純Ti, ASTM F67, 級別 2, 1040°C 退火 （200x）  （0.5% HF侵蝕）。拋光效果相當(dāng)不錯。
添加化學(xué)拋光劑：
如果在拋光的第三步中的SiO2中加入一些化學(xué)拋光液，那么就能更清晰的顯示其顯微組織。如圖 5 所示： 第二步使用 ULTRA-POL 拋光布, 第三步使用 MICROCLOTH 拋光布，該步驟的拋光液為: 50mL MASTERMET 2圖 5b 顯示的是制備良好，退火后的CP級純鈦中的α晶粒結(jié)構(gòu)，在α晶粒中可以看到輕微的加工硬化現(xiàn)象。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：在第三部拋光過程中加入化學(xué)侵蝕劑，對于CP級純鈦中的α晶粒往往可以得到令人滿意的效果。

對于CP 級純Ti樣品而言，在第3步上使用有毛的拋光布，如：MICROCLOTH 和 MASTERTEX, 拋光布比使用無毛的如CHEMOMET I 拋光布效果更佳。
使用CHEMOMET拋光布，可以很好的保持樣品邊緣和其內(nèi)部空洞邊緣（鑄件），而且在這種拋光布上還能使用化學(xué)拋光劑。

所有的拋光布對于兩相的Ti合金都有很好的效果，如：常用的Ti-6Al-4V 合金。如果在第二步使用TEXMET 1000 拋光Tech-Notes Volume3, Issue3  《》布，第三步使用MICROCLOTH拋光布，同時加入一些化學(xué)拋光劑其效果相當(dāng)不錯，如圖 6所示。表1所列為的拋光工藝簡介。

圖 4. 使用三步拋光工序，期間沒有使用化學(xué)拋光劑的拋光樣品實(shí)例 （第三步使用 MICROCLOTH 拋光布） 。 a） 軋制的 Ti-8Al-1Mo-1V （500x）; b） 退火后 Ti-l-2.5Sn （200x）; 和 c）CP 級純Ti, ASTM F67, 級別 2, 1040°C 退火 （200x），侵蝕劑： Kroll’s, 圖 b） 和 c）顯示α-相拋光質(zhì)量不佳的狀態(tài)。SiO2 +10mL H2O2 （30%） 和 5mL Kroll’s侵蝕劑。

圖 5. 在第三步的拋光過程中，在SiO2拋光劑中加入了化學(xué)侵蝕劑 （拋光布是MICROCLOTH），其效果非常好 （第二步使用 ULTRA-POL拋光布）。 圖 a）所示，熱處理后Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（500x）; 和圖 b） CP級純 Ti （ASTMF67, 4級, 704°C 退火后, 200x）, 侵蝕劑均為 Kroll’s侵蝕劑。

圖 6.  優(yōu)異的拋光質(zhì)量：拋光第二步使用TEXMET 1000 拋光布，第三步使用MICROCLOTH拋光布，化學(xué)拋光劑+二氧化硅拋光劑。a）Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金鑄態(tài) （200x）, b） 熱處理后 （950°C, 風(fēng)冷, 593°C - 8h, 空冷） Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金 （500x）; 和 c） 軋制 CP級純 Ti （ASTM F67, 2級, 200x）; 侵蝕劑均為 Kroll’s 侵蝕劑.
Müller 方法
Günther Müller 三步拋光方法也是非常好的。雖然在CP 級純Ti樣品中的α相中有點(diǎn)加工硬化的痕跡，但是其效果還是可以接受的。圖7所示，就是一個使用這種拋光方法得到CP 純Ti樣品組織照片。

其他方法
三步拋光方法是可行的。首先，*步使用240 grit SiC砂紙而不是使用320 grit SiC砂紙，對于大多數(shù)α-β相Ti合金樣品，雖然在α相中存在一定程度的冷作硬化，但是這樣的拋光方法是可以滿足需要的，如：Ti-6Al-4V合金中包含一些等軸的α相。對于α相合金和CP級α純Ti 中顯示較多的冷作硬化的痕跡。有人試驗(yàn)在第三步拋光中使用0.05um的γ氧化Tech-Notes Volume3, Issue3  《》

鋁替代二氧化硅（使用相同的化學(xué)拋光劑），其拋光效果也是可以接收的。特別是對于雙相合金尤其如此。但是對于CP級的純Ti中的α相中還是存在冷作硬化的痕跡，參見圖8.
圖 9. 拋光態(tài) CP 級純 Ti 熱軋） 正交偏振光 （100x）。 圖 10 與圖 9 是同一個樣品，但是又使用VIBROMET 2 振動拋光機(jī)拋光2 小時 （100x, 偏振光）。

圖 7. 使用Müller三步拋光方法，獲得退火態(tài)的CP級純 Ti*效果 （ASTM F67, 2級） Kroll’s侵蝕劑 （200x）圖11. CP級純 Ti （1038°C退火） 振動拋光后，使用改變后的 Weck’s侵蝕劑 （100x, 正交偏振光+靈敏色片）。

圖8 退火態(tài) CP級純 Ti （ASTM F67, 2級）  拋光第三步使用0.05μm氧化鋁,加入化學(xué)拋光劑（（200x, Kroll’s侵蝕劑侵蝕）有幾種化學(xué)拋光劑還是不錯的，Leonhardt 把150ml二氧化硅+150ml水+30ml H2O2 （30%）, 1-5mL HF and 1-5mL HNO3化學(xué)拋光劑添加在拋光液中效果相當(dāng)不錯。Buchheit 添加 5mL 20% CrO3 水溶液到 30mL氧化鋁拋光膏中。 也可以試驗(yàn)使用二氧化硅替代氧化鋁。10mL 20% CrO3 水溶液到 75mL 二氧化硅中其效果也是不錯的。使用這些化學(xué)拋光劑時，必須要十分小心。因?yàn)檫@些化學(xué)拋光劑往往含有許多強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)酸。要避免身體接觸這些物質(zhì)。

組織檢查：
通常在光學(xué)顯微鏡的明視場下檢查侵蝕后的組織。但是對于拋光態(tài)的樣品，尤其是CP級純Ti的α相適合于正交偏振光下觀察。因?yàn)轶w心立方的β相不會在偏振光變色。如圖9所示，軋制態(tài)的CP級純Ti （ASTMF67, 2級） 三步拋光以后，在正交偏振光下觀察的晶粒結(jié)構(gòu)。如果三步拋光后的樣品，在VIBROMET 2振動拋光機(jī)上使用MASTERMET二氧化硅拋光液拋光2小時，在偏振光下觀察其特性更加明顯，見圖10所示。α-β雙相合金也可以在偏振光下觀察，但是拋光后的樣品觀察效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如侵蝕后的樣品。

樣品侵蝕：
許多侵蝕劑用于Ti和Ti合金侵蝕，但是Kroll’s侵蝕劑zui常見的一種，這種侵蝕劑幾乎能用于所有的Ti合金的侵蝕。稀釋后的HF的水溶液也何以顯示Ti合金的顯微組織，但是其效果不如Kroll’s侵蝕劑好（1-3mL HF+2-6mL HNO3+100mL 水）。如果把拋光后的樣品立刻擦拭侵蝕比浸侵蝕效果更好，這是由于致密的氧化膜阻斷了Ti與空氣的接觸。幾乎所有的Ti和Ti合金的侵蝕劑都含有HF，這是一種非常危險的酸，所以要避免身體接觸HF，在配制侵蝕劑時，要格外的小心。

出于安全考慮，是帶上手套（手套上不能有破洞）并穿上防護(hù)服，一些Ti的電解液含有氯酸或是NaCN，雖然只是使用低濃度的氯酸，我們還是應(yīng)該在通風(fēng)櫥內(nèi)操作。這些含有氯酸的電解液在使用時需要準(zhǔn)確的控制其溫度。qing化鈉也是一種常危險的藥品，在一定條件下，可以分解成危險的qing化物。對于這些化學(xué)藥品安全須知的描述已經(jīng)超出了TECH-NOTES的范疇，在此不再累述。

圖 12. 表面的α相 熱處理后 （1038°C, 淬火 水冷） Ti - 3% Cr合金，使用 Beraha’s 侵蝕劑 （500x, 正交偏振光+靈敏色片）.
現(xiàn)在彩色陽極氧化侵蝕劑也在使用。但是我個人對此還沒有成功的經(jīng)驗(yàn)。大多數(shù)這類侵蝕液配比相當(dāng)復(fù)雜，而且使用時需要施加較高的電壓。現(xiàn)在也有一些彩色侵蝕劑，這些彩色侵蝕劑的使用往往能得到不錯的效果，我曾經(jīng)改變了Weck’s侵蝕劑的成分（100mL 水+ 25mL 酒精+ 2g NH4FHF）
用于彩色侵蝕獲得很好效果，使用這種侵蝕液侵蝕1min后，Tech-Notes Volume3, Issue3  《》

見圖11：使用改變成分后的Weck’s侵蝕劑，顯示一塊切割后的CP級純Ti樣品兩個邊緣情況。在邊角處的表面毛刺上的變形晶粒的結(jié)構(gòu)清晰可見，如果使用實(shí)驗(yàn)室的砂輪切割機(jī)切割后的表面的損傷層應(yīng)該是zui小。Beraha 研究出一種Ti合金的彩色侵蝕劑（2-3g鉬酸鈉+5mL HCI+ 1-2gfuhuaqingan+100mL water） ，我用也僅僅成功使用了這種侵蝕劑幾次而已。圖 12 所示為 Ti - 3% Cr合金的表面α相組織。熱處理后，馬氏體 （1038°C, 水淬） Beraha’s 侵蝕劑 正交偏振光+靈敏色片。

使用熱染色法顯示Ti合金組織也是可以的，但是這僅僅適合于沒有鑲嵌的樣品，這種方法簡便可靠。把樣品放在空氣爐內(nèi)（不需要?dú)夥毡Ｗo(hù)）加熱從400°C加熱到700°C直到樣品表面變色，通常表面呈紫紅色效果。這種顏色在正交偏振光+靈敏色片（也稱之為一級紅色濾光鏡或全波片）下會得到增強(qiáng)。圖 13 所示 使用簡單的實(shí)驗(yàn)室熱臺對CP級純 Ti實(shí)施的熱染色，注意晶粒的著色非常不錯。如果在熱染色之前，使用Kroll’s侵蝕劑預(yù)先稍微侵蝕一下樣品，其染色效果會有很大提高。圖14所示，這種方法也可以用于Ti合金Ti-6% Al-4% V鑄態(tài)組織顯示 。

3.R. Osadchuk, W. P. Koster and J. F. Kahles:“Recommended Techniques for PolishingTitanium for Metallographic Examination”,Metal Progress, October 1953, Vol. 64,
p.129-131, 236, 240.4.A. D. McQuillan and M. K. McQuillan: Titanium,Academic Press, N.Y., 1956, p.447-458.
C. J. Echer, J. E. Cooney and A. J. Kish:“Metallography of l-2.5Sn Titanium Alloy”,Metals Engineering Quarterly, February 1967,Vol. 7, p.58-63.
6. G. F. Vander Voort: Metallography: Principlesand Practice, ASM Intl., Materials Park, OH,1999.7. P. A. Jacquet: “Electrolytic Polishing andOxidation of Titanium”, Metal Treatment andDrop Forging, April 1951, Vol. 18, p. 176, 182.

8. W. C. Coons and L. R. Isoty: “ElectrolyticPolishing System for Space Age Materials”,Metal Progress, May 1976, Vol. 109, p.36-40.
9. B. Simmer and D. Schmalfuss: “Commentson The Preparation of Metallographic Specimensof Titanium with Particular Reference toChemical Polishing”, Praktische Metallographie,
February 1978, Vol. 15, p.78-85.
問題: 當(dāng)在切割Ti合金樣品時總是要花費(fèi)很長的時間，在切割表面總是有明顯燒傷的痕跡。而砂輪片本身磨損很小，一個砂輪片能夠切割許多的樣品。如何減少切割的時間并且避免燒傷？
回答: 你所關(guān)心的不應(yīng)該是砂輪片磨損的問題，切割Ti合金的砂輪片需要使用快速磨耗型的， 如果你選用的砂輪片不能正常的損耗，那么砂輪片粘結(jié)強(qiáng)度過于堅固，這樣切割過程就會產(chǎn)生燒傷。 建議你使用粘結(jié)強(qiáng)度低的專門用于切割Ti合金的砂輪片，雖然砂輪片的使用壽命減少，但是，你可以獲得沒有燒傷的切割表面，這點(diǎn)對于你要獲得一個良好的Ti金相樣品更重要。
.圖13. CP級純 Ti 熱染色法使用熱臺加熱（100x,正交偏振光+靈敏色片）.圖 14. 鑄態(tài) Ti-6%Al-4%V合金熱染色法，使用熱臺加熱顯示網(wǎng)格狀組織α-β雙相（100x,正交偏振光+靈敏色片）.

結(jié)論：
三步拋光方法對于Ti和Ti合金的樣品制備非常不錯。在拋光的第三步中加入一些化學(xué)拋光劑，對于純Ti和α相的Ti合金，對其拋光效果提高非常顯著。對于雙相的Ti合金，即使不添加化學(xué)拋光劑其拋光效果也同樣令人滿意。但是在拋光過程中使用化學(xué)拋光劑其效果更好。

參考文獻(xiàn)：
1.W. L. Finlay, J. Resketo and M. B. Vordahl:“Optical Metallography of Titanium”, Industrialand Engineering Chemistry, February 1950,Vol. 42, p.218-222.
2.C. B. Craver: “Differentiation of Grain Sizeand Phases in Titanium”, Metal Progress,March 1951, Vol. 59, p. 371-373.