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，因為熱壓力鑲嵌有可能改變純鈦中氫元素的含量和分布。特別對于純鈦而言，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)異的強度與重量比、良好的耐腐蝕性和高的機械強度。所以其商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有50余年的歷史。其缺點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，因為熱壓力鑲嵌有可能改變純鈦中氫元素的含量和分布。特別對于純鈦而言，在樣品制備過程中想要去除劃痕和塑性流變非常困難。

在早期的機械拋光工藝相當(dāng)耗時，而且?guī)缀跛械臋C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6。

二十世紀(jì)70年代和80年代，鈦及鈦合金的機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MASTERTEX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，拋光機動力頭轉(zhuǎn)動方向與拋光機底盤轉(zhuǎn)動方向相同。
** 反向轉(zhuǎn)動是指，拋光機動力頭轉(zhuǎn)動方向與拋光機底盤轉(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。大量的實踐經(jīng)驗表明：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。因為這些化學(xué)拋光劑往往含有許多強氧化劑和強酸。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。因為體心立方的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遠不如侵蝕后的樣品。

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。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，如果使用實驗室的砂輪切割機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)（不需要氣氛保護）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。圖 13 所示 使用簡單的實驗室熱臺對CP級純 Ti實施的熱染色，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：
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.