应用与开发

基于RGB值的钛合金氧化程度数值化评价

樊 浩 1 ,邢 丽 2

(1.西安航空职业技术学院,西安 710089;2.南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063)

摘 要: 为了准确评价温度和时间对钛合金氧化程度的影响,分别以温度和时间为参数,在SX2-10-13型箱式电阻炉中加热来模拟TC4钛合金不同的氧化过程,使用Photoshop软件对氧化试样进行照片采集,并测量图片的RGB值,最后利用RGB值进行数值化评价。结果表明,在保温30 min,温度在300~400℃时,氧化程度缓慢增加,其RGB值均逐渐减小;在400~600℃时,氧化程度明显增加,其RGB值中R值减小而G、B值迅速增加;在600~800℃时氧化程度继续增加,其RGB值均减小。温度在550℃时,随着保温时间延长,钛合金氧化程度增加,其RGB值中R值减小,G、B值增加,并在最后均趋于稳定。

关键词: 钛合金;氧化;RGB值;数值化

钛合金化学性能非常活泼,常温下容易被氧化 [1-4] 。钛合金在焊接之前,如果清理不干净,存在氧化物或不受惰性气体保护,或保护气体不纯(如含有水分等),将会导致焊缝及热影响区表面氧化严重,产生变色。疏松的氧化层和较厚的富氧层将会严重损害合金的力学性能,尤其是塑性和韧性。氧化严重时将会影响焊件的可靠性,进而影响产品质量 [5-8] 。贾蔚菊等 [9] 研究了Ti60高温合金在600~750℃范围内的氧化行为,发现随着氧化温度的升高和时间的增加,富氧层厚度增加。刘平等 [10] 对钛合金中Al的Al396·15 nm谱线组进行分析,发现其结果可用于钛合金中Al的定性、定量分析。

在实际生产中,一般通过对比钛合金的氧化比色卡来判别钛合金的氧化程度,由于这种方法对主观经验的依赖性较强,因而对氧化程度判别的偏差就会较大,从而造成浪费。因此,研究钛合金的氧化程度,并对其进行数值化评价就显得特别重要。本研究通过对TC4钛合金采用不同温度和时间在箱式电阻炉中加热来模拟不同的氧化程度,并对其表面的图像进行分析,利用Photoshop软件分析图像的RGB值并进行数值化评价,进而为钛合金的生产和使用提供一些理论参考。

1 试验材料与方法

试验材料采用2 mm厚的轧制退火态钛合金TC4板材,其主要成分见表1,将TC4板材利用线切割加工成20 mm×20 mm×2 mm试样。

表1 TC4钛合金主要化学成分 %

在氧化试验前,对TC4钛合金板材进行机械和化学清理,目的是去除氧化皮。用细砂纸擦拭板材表面,然后使用酸液清洗试样,酸液配方为40 mL硝酸+5 mL氢氟酸+55 mL水。将清理后的钛合金试样放入高温箱式炉(SX2-10-13型箱式电阻炉)中加热氧化。SX2-10-13型箱式电阻炉如图1所示。

图1 SX2-10-13型箱式电阻炉照片

加热温度及时间不同,TC4钛合金的氧化程度也会不同 [11] 。试验时,采用不同的温度和时间对TC4钛合金试样进行加热,以模拟不同的氧化程度,高温炉的加热方案见表2和表3。

加热氧化完成后冷却至室温,观察试样表面的氧化程度。企业中测量钛合金氧化程度最直观的方法是观察表面的氧化颜色,为更准确的评估氧化程度,使用Photoshop软件对试样进行照片采集,并测量出图片的RGB值。通过对图片RGB值的分析,来判断钛合金的氧化程度。

表2 TC4钛合金在不同温度下加热时间30 min的氧化试验方案

表3 TC4钛合金550℃下加热不同时间的氧化试验方案

2 试验结果及分析

2.1 试验图像及分析

通过控制不同的加热温度和加热时间,使TC4钛合金表面得到不同的氧化程度,观察表面形貌;采集试样表面的氧化图片,并截取图片中均匀的部分。TC4钛合金不同温度下在炉内保温30 min氧化后所得到的图像如图2所示。由图2可以看出,时间一定,随着温度的不断升高,氧化颜色不断变化。300~500℃时,主要以黄色为基调,颜色逐渐加深,分别为淡黄色、黄色、土黄色、深黄色、金黄色,如图2(a)~图2(e)所示; 550~650 ℃时,以蓝色为基调,颜色逐渐变浅,分别为深兰色、兰色、浅兰色,如图2(f)~图2(h)所示;700~800℃时,以灰色为基调,灰色逐渐加深变暗,分别为紫灰色、灰褐色、灰色,如图2(i)~图2(k)所示。所有样品表面颜色是不均匀的,甚至有些还有腐坑,这可能是样品表面状态不好或环境影响所致。

TC4钛合金在550℃下不同保温时间氧化后所得到的图像如图3所示。由图3可以看出,在550℃连续加热时,随着氧化时间的增加,氧化颜色不断变化,依次经历紫红色、蓝紫色、浅蓝色等,钛合金的氧化程度也在增加,其颜色变化趋势和图2(f)~图2(h)十分相似。

图2 TC4钛合金不同温度下在炉内保温30 min氧化后得到的图像

图3 TC4钛合金在550℃下不同保温时间氧化后得到的图像

2.2 氧化程度的数值化评价

使用Photoshop软件分析TC4钛合金氧化后图像的RGB值,并用Origin软件分别绘制RGB值与氧化温度和时间的关系曲线,评估TC4钛合金表面氧化的程度。TC4钛合金不同温度下在炉内保温30 min氧化后图像RGB值的变化曲线如图4所示。

图4 TC4钛合金不同温度下在炉内保温30 min氧化后图像RGB值的变化曲线

TC4钛合金中的钛在很低的温度下就开始与氧发生反应,因此室温下在空气中钛合金表面便形成氧化膜,这层氧化膜具有一定的保护作用。由图4可以看出,400℃以下的RGB值均变小但是变化不大;400~600℃时,RGB值变化波动大,但都是先下降再上升并趋于稳定;600℃以上时,RGB值均出现大幅下降。分析认为,在400℃以下,氧化层厚度随着温度升高而加厚,但是变化并不明显。钛合金在400℃时开始吸氧,当加热至600℃时,钛合金的氧浓度显著提高,这是由于随着温度的升高,氧的活度提高,并不断向钛基体扩散,加剧了钛合金的氧化,所以400~600℃温度区间RGB值出现了大幅波动。但是随着氧的溶解度达到极限时,形成的富氧层阻碍了进一步氧化,所以在600℃时,RGB值又趋于稳定。当温度大于600℃时由于钛离子参与扩散,加快了钛合金的氧化速度,RGB值均有大幅度下降的趋势 [12]

因为500~600℃之间颜色变化比较明显,RGB值中R值迅速下降,而G、B值迅速增加,在该温度区间氧化层有突变,因此还需要进一步分析550℃时不同氧化时间的RGB值的变化情况。TC4钛合金在550℃下不同保温时间氧化后图像RGB值的变化曲线如图5所示。

图5 TC4钛合金在550℃下不同保温时间氧化后图像RGB值的变化曲线

由图5可以看出,TC4钛合金随着氧化时间的增加,RGB值的R值在减小,G、B值在增加并在最后都趋于稳定。分析认为,在550℃时氧化程度随着时间的增加而增加,但是最后趋于稳定。这是因为在550℃时,随着氧化时间的增加,试样表面的氧化层厚度增加是在金属基体与金红石氧化层之间的界面上,刚开始时氧加速向钛基体扩散,氧化程度增加较快导致RGB值出现大幅变化,之后氧的溶解度达到极限,形成了富氧层,氧化变缓,RGB值趋于稳定。

3 结 论

通过对TC4钛合金采用不同温度和时间在炉中加热来模拟不同的氧化程度,并对表面图像进行分析,利用RGB值进行数值化评价,得出以下结论:

(1)在保温30 min,温度在300~400℃时,氧化程度缓慢增加,其RGB值均逐渐降低;在400~600℃时,氧化程度明显增加;其RGB值中R值下降而G、B值迅速增加;600~800℃时氧化程度继续增加,其RGB值均出现下降。

(2)在保温550℃时,随着时间增加氧化程度增加,其RGB值中R值减小,G、B值增大并在最后都趋于稳定。

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[12]赵爱玲,王大月,王燕,等.钛及钛合金热氧化行为研究[J].钛工业进展,2013,30(1):16-19.

FAN Hao 1 ,XING Li 2
(1.Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi’an 710089,China;2.National Defence Key Discipline Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)

Abstract: In order to accurately evaluate the effect of temperature and time on the oxidation degree of titanium alloy,different oxidation processes of TC4 titanium alloy were simulated by heating in SX2-10-13 box type resistance furnace with temperature and time as parameters.Photographing the oxidized samples using photoshop software,and measuring the RGB values of the images,and finally using the RGB values for numerical evaluation.The results show that the oxidation degree increases slowly and the RGB value decreases gradually when the temperature was between 300℃and 400℃for 30 min.When the temperature was kept at 400~600℃for 30 min,the oxidation degree increases obviously,and in the RGB value the R value decreases and the values of G and B increase rapidly.When the temperature was kept at 600~800℃for 30 min,the oxidation degree continues to increase,and the RGB values decrease.When the temperature was 550℃,the oxidation degree of titanium alloy increases with the increase of holding time.The R value decreases in the RGB value,and the G and B values increase,and tend to be stable at the end.

Key words: titanium alloy;oxidation;RGB value;numerical evaluation

Numerical Evaluation of Oxidation Degree of Titanium Alloy Based on RGB Value

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2018.08.006

文献标识码: A

作者简介: 樊 浩(1991—),男,硕士研究生,主要从事特种连接技术、搅拌摩擦焊、金属基复合材料等相关研究工作。

中图分类号: TG146.2

收稿日期: 2018-05-29

编辑:谢淑霞