鈦合金液態(tài)氣相置氫及其對(duì)組織和性能的影響.pdf

1、鈦合金置氫加工工藝是將氫作為一種臨時(shí)合金元素，通過改變鈦合金的相組成和微觀組織，進(jìn)而達(dá)到改善鈦合金加工性能的目的。但是以往的置氫技術(shù)通常是在合金固態(tài)的條件下進(jìn)行，使鈦合金在固態(tài)的條件下吸入氫元素。該方法往往應(yīng)用于一些薄壁件的氫處理，這是由于氫元素在固相中的擴(kuò)散速度較慢，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能使合金獲得所需的氫含量，這就在一定程度上限制了置氫工藝的適用范圍。本文針對(duì)固態(tài)置氫存在的這一問題提出了液態(tài)置氫的概念，所謂液態(tài)置氫(Melt hydrog

2、enation)，是指在熔化的過程中將氫引入到合金熔體中的一種置氫方法。本論文通過熔煉的方式來實(shí)現(xiàn)鈦合金的液態(tài)置氫，鈦合金在氫/氬混合氣氛中進(jìn)行熔煉，被吸收的氫在凝固后保留在合金的內(nèi)部，我們將這種方法稱為氣相擴(kuò)散法液態(tài)置氫。該置氫方法可以對(duì)較大厚度、尺寸的試樣進(jìn)行置氫處理，比如鈦合金鑄錠。
　　本文首先進(jìn)行了液態(tài)置氫的熱力學(xué)研究，利用稱量合金試樣的質(zhì)量變化和計(jì)算被合金熔體吸收的氫的摩爾分?jǐn)?shù)兩種方法對(duì) TC4合金內(nèi)的氫含量進(jìn)行了計(jì)算

3、。并對(duì)第二種方法進(jìn)行了不同角度的驗(yàn)證。在驗(yàn)證的過程中推導(dǎo)出了液態(tài)置氫過程中氫在 TC4合金熔體中的溶解熱約為-38.04kJ/mol。在確定鈦合金氫含量的基礎(chǔ)上，選擇西華特定律，也就是平方根定律為模型，分別建立了關(guān)于TC4合金，TC21合金，Ti600合金的氫溶解度與氫分壓的關(guān)系式。基于這些公式，可以實(shí)現(xiàn)通過控制氫分壓來控制合金中的氫含量的目的。液態(tài)置氫具有較快的吸氫速度，這由于氫在合金熔體中具有較大的擴(kuò)散系數(shù)，并且該擴(kuò)散系數(shù)隨著氫分壓

4、和溫度的增加而增大。液態(tài)置氫的氫飽和時(shí)間隨著氫含量的增加而減少。
　　氫/氬氣氛下熔煉對(duì)鈦合金的脫氧效果得到了探索性的研究。發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)降低鈦合金內(nèi)的氧含量具有較為明顯的效果。對(duì)一些影響脫氧效果的因素進(jìn)行了分析討論，并提出了氫致脫氧的機(jī)理：由于氧與氫結(jié)合形成水蒸氣從合金熔體內(nèi)部排出導(dǎo)致了合金氧含量的降低。分別分析了氧元素以及氫致脫氧對(duì)鈦合金的顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)合金的顯微組織隨著合金內(nèi)的氧含量的增加而粗化，經(jīng)過氫氣氛下熔煉脫氧后的

5、合金的組織發(fā)生了細(xì)化，這在晶界處體現(xiàn)的尤為明顯。
　　實(shí)驗(yàn)中使用體式鏡，光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分別研究了液態(tài)置氫對(duì)鈦合金的宏觀組織和顯微組織的影響。發(fā)現(xiàn)液態(tài)置氫對(duì)合金的宏觀組織和顯微組織都具有細(xì)化作用，這種作用隨著氫含量的增加而增強(qiáng)。細(xì)化晶粒的原因包括兩方面：一是由于氫的加入提高了形核率；另一方面是由于氫促進(jìn)了枝晶游離的作用。氫元素的加入，使熔體上下表面的溫度梯度增大，表現(xiàn)為合金的局部存在一定的定向凝固效果，合金局部會(huì)出現(xiàn)排列十分規(guī)

6、則的柱狀晶。對(duì)顯微組織的細(xì)化是由于氫促進(jìn)了殘余β相的體積分?jǐn)?shù)的增加，這樣就會(huì)對(duì)α板條的長(zhǎng)大具有一定的抑制作用，同時(shí)氫含量的增加還會(huì)促使針狀的α′相以及α"馬氏體的生成。
　　使用透射電子顯微鏡分析了鈦合金的亞結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)δ氫化物存在于液態(tài)置氫后的TC4合金中，它存在于兩條平行的β相之間的α相中，與β相成大約60度角分布。氫化物以兩種形態(tài)存在于α相中：?jiǎn)蝹€(gè)存在以及成對(duì)的出現(xiàn)。氫化物的數(shù)量隨著合金內(nèi)的氫含量的增加而增加。根據(jù)透射電鏡

7、的分析，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)的具體條件，本文闡述了液態(tài)置氫后的TC4合金內(nèi)的氫化物的形成機(jī)制。
　　利用Gleeble熱模機(jī)對(duì)液態(tài)置氫后的TC4合金的高溫力學(xué)性能進(jìn)行了熱模擬。分別研究了溫度，應(yīng)變速率以及氫含量對(duì)鈦合金的高溫流變應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)氫含量低于5.31×10-2 wt.％時(shí)會(huì)使合金的流變應(yīng)力有所增加，當(dāng)合金內(nèi)的氫含量高于這一數(shù)值時(shí)，合金的流變應(yīng)力逐漸下降，并且屈服強(qiáng)度明顯低于未置氫的鈦合金。并通過TEM下的分析發(fā)現(xiàn)氫促進(jìn)動(dòng)態(tài)回復(fù)