.1012 工程科学学报，第42卷，第8期 (a) 20 100um (d) 25m 100um 图860mCr层的试样经氩气吹灭后的SEM图.()I一氧化物区、Ⅱ一熔化区末端：(b)Ⅲ一熔化区：(c)M一熔化区、V一过渡区、M一热影 响区：(d)热影响区侧面 Fig.8 SEM image of a 60 um chromium layer sample being blown away by argon (a)I-oxide zone,II-fusion zone end;(b)Ill-fusion zone;(c) VI-fusion zone,V-transition zone,VI-heat affected zone;(d)side of heat affected zone 表3图8中各点EDS分析结果（原子数分数） 燃烧后挥发的烟雾主要成分是TiO2、Al2O3、V2O5 Table 3 EDS analysis results of each point in Fig.8 和MgO(引燃物)，还存在少量的Ti-Al,Al-V化 (atomic fraction) % 合物.镀Cr后，燃烧时挥发的烟雾的成分中并没 Elements Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 有Cr元素及其氧化物，也说明C元素在燃烧的过 Ti 58.36 44.40 80.49 3.50 程中并没有脱落或挥发.从图12中可以看出，燃 Cr 0.00 24.72 0.00 0.06 烧后滴落的残渣主要成分除了TiO2、Al2O,、 Al 0.57 17.56 1.30 60.95 V2O5等高价氧化物外，还存在Ti20、Ti0等中间价 0.00 6.56 0.00 0.05 态的氧化物，说明即使在富氧环境中燃烧也是不 0 41.07 6.76 18.21 35.43 充分.而在镀Cr后的试样残渣中，还存在着少量 的Cr的氧化物 固相扩散区，但是从图10(c)中可以看出，裂纹左 边Cr元素原子数分数最高只达到30%左右.在裂 3分析与讨论 纹右侧，Cr元素原子数分数从约60%逐渐升高到 从热力学的角度，TC4钛合金的燃烧与氧化相 约90%，Ti元素原子数分数从约30%逐渐降低到 似，只是化学反应速率不同.镀Cr后的TC4钛合 0左右.靠近裂纹处，Ti、Cr原子比约为1：2，为 金被镁条引燃后发出耀眼的白光，出现熔池，并伴 TiCr2金属间化合物.因为Ti-Cr扩散是在高温极 随飞溅和烟雾的挥发，而整个过程中起到主要作 短的时间内进行的，金属间化合物的存在阻碍了 用的是氧气扩散的速率和燃烧时放出的热量.而 元素之间的扩散，从而形成微裂纹.继续向基体区 燃烧时放出的热量的决定性因素是元素的种类和 靠近，由于温度的降低，Ti-Cr固相扩散区消失， 含量.从表4中可以看出，镁条在燃烧时，放出大 TC4基体与Cr层之间依然存在着微裂纹，这是因 量热量，在一定氧压下，这些热量足以引燃TC4钛 为电镀Cr是Cr原子以物理结合的方式吸附在基 合金，被引燃后，Ti、A1等元素燃烧同样放出大量 体，放大倍数较高时，会看到微裂纹 热量，足以维持TC4钛合金持续燃烧，所以TC4钛 2.4.3燃烧产物XRD分析 合金一旦燃烧，便不会停止，直至试样燃尽.而 图11和图12分别是镀Cr前后燃烧时挥发烟 C·元素虽然在燃烧时也释放了较高的热量，但实 雾和滴落残渣的XRD图谱.从图11中可以看出， 验中发现镀C层并没有参与燃烧，同时降低了燃固相扩散区，但是从图 10（c）中可以看出，裂纹左 边 Cr 元素原子数分数最高只达到 30% 左右. 在裂 纹右侧，Cr 元素原子数分数从约 60% 逐渐升高到 约 90%，Ti 元素原子数分数从约 30% 逐渐降低到 0 左右. 靠近裂纹处，Ti、Cr 原子比约为 1∶2，为 TiCr2 金属间化合物. 因为 Ti–Cr 扩散是在高温极 短的时间内进行的，金属间化合物的存在阻碍了 元素之间的扩散，从而形成微裂纹. 继续向基体区 靠近，由于温度的降低，Ti–Cr 固相扩散区消失， TC4 基体与 Cr 层之间依然存在着微裂纹，这是因 为电镀 Cr 是 Cr 原子以物理结合的方式吸附在基 体，放大倍数较高时，会看到微裂纹. 2.4.3    燃烧产物 XRD 分析 图 11 和图 12 分别是镀 Cr 前后燃烧时挥发烟 雾和滴落残渣的 XRD 图谱. 从图 11 中可以看出， 燃烧后挥发的烟雾主要成分是 TiO2、Al2O3、V2O5 和 MgO（引燃物），还存在少量的 Ti–Al，Al–V 化 合物. 镀 Cr 后，燃烧时挥发的烟雾的成分中并没 有 Cr 元素及其氧化物，也说明 Cr 元素在燃烧的过 程中并没有脱落或挥发. 从图 12 中可以看出，燃 烧 后 滴 落 的 残 渣 主 要 成 分 除 了 TiO2、 Al2O3、 V2O5 等高价氧化物外，还存在 Ti2O、TiO 等中间价 态的氧化物，说明即使在富氧环境中燃烧也是不 充分. 而在镀 Cr 后的试样残渣中，还存在着少量 的 Cr 的氧化物. 3    分析与讨论 从热力学的角度，TC4 钛合金的燃烧与氧化相 似，只是化学反应速率不同. 镀 Cr 后的 TC4 钛合 金被镁条引燃后发出耀眼的白光，出现熔池，并伴 随飞溅和烟雾的挥发，而整个过程中起到主要作 用的是氧气扩散的速率和燃烧时放出的热量. 而 燃烧时放出的热量的决定性因素是元素的种类和 含量. 从表 4 中可以看出，镁条在燃烧时，放出大 量热量，在一定氧压下，这些热量足以引燃 TC4 钛 合金，被引燃后，Ti、Al 等元素燃烧同样放出大量 热量，足以维持 TC4 钛合金持续燃烧，所以 TC4 钛 合金一旦燃烧，便不会停止，直至试样燃尽. 而 Cr 元素虽然在燃烧时也释放了较高的热量，但实 验中发现镀 Cr 层并没有参与燃烧，同时降低了燃 Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅲ Ⅰ Ⅱ 1 2 3 4 20 μm (a) 100 μm (b) (c) 100 μm (d) 25 μm 图 8    60 μm Cr 层的试样经氩气吹灭后的 SEM 图. (a) Ⅰ—氧化物区、Ⅱ—熔化区末端；（b）Ⅲ—熔化区；（c）Ⅵ—熔化区、Ⅴ—过渡区、Ⅵ—热影 响区；（d）热影响区侧面 Fig.8    SEM image of a 60 μm chromium layer sample being blown away by argon (a) I―oxide zone, II― fusion zone end; (b) III―fusion zone; (c) VI―fusion zone, V―transition zone, VI―heat affected zone; (d) side of heat affected zone 表 3    图 8 中各点 EDS 分析结果（原子数分数） Table 3    EDS analysis results of each point in Fig. 8 (atomic fraction) % Elements Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 Ti 58.36 44.40 80.49 3.50 Cr 0.00 24.72 0.00 0.06 Al 0.57 17.56 1.30 60.95 V 0.00 6.56 0.00 0.05 O 41.07 6.76 18.21 35.43 · 1012 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期