（材料学专业论文）热氢处理对钛合金组织和性能影响的研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 热氢处理对钛合金组织和性能影响的研究 专业：材料学 研究生：曹兴民 导师：奚讵平教授 赵永庆教授 摘要 钛合会氢处理技术是利用氢致颦性、氢致相变，以及利用钛合余巾氖的可逆 合会化，以实现钛氢系统最佳组织结构、改善加工性能：是一种新体系、新方法 和新手段。利用该技术不仅可以改善钛合金的加工性能，向r - j 以提高钛制件的 使用性能，提高钛合会的加工效率，降低钛产品的制造成本。 本文首先介绍了前人在钛合会氢处理方面的理论研究成果，重点论述了氢存 改善钛合会的微观组织、提高钛合会的加工效率方面的理论和试验研究进展，住 此基础i ：，研究了氢处理对n + b 钛合会t c 2 1 和b 钛合会t i 4 0 两种钛合金微观 组织变化的影响，以及对这两种合会强度和塑1 峰的影响。讨论了氢致细化、氢致 塑性的微观机理。 试验所采用的试样尺寸为1 0 1 0 3 m m ，试样包括两种合令、两种状念( 铸 念和锻态) ，根据试验要求，将试样分为自然含氢量、0 1 w t 、o2 州、o 3 w t 、 0 4 w t 、0 5 w t 六组，在试样渗氨6 口、渗氢后和除氧后，分别对试样进行余桐 观察、s e m 观察、t e m 分析、x 射线衍射和硬度的测定。 研究表明，渗氢所引起的应变无论对丁合会铸念还是锻念，都会增加它们的 品格常数，增大它们的晶胞体积，提高它们的位错密度。对j ：渗氰后的钛合金， 当氢含量达到一定值时都会观察到氢化物的生成。渗氢后引起j ：要俞金元桑的阿 分配，1 3 稳定元素在晶界及晶内析出相内的含量偏高。 氧处理对+ 1 3 钛合会t c 2 l 组织有明显的细化作肘，“1 渗氧肇为o 4 w t h 、j 其细化效果最佳：而埘fb 钛合金t i 4 0 ，其组织变化刁i 明娃。 随着氯含量的增加，渗氧后a + p 钛合金f c 2 1 的硬度，是兜降低后增加， b 钛合余t i 4 0 则逐渐增加。除氢后，由于e l + p 钛合金t c 2 1 组织得剑明显的细 西安建筑科技大学硕士学位论文 _ i i _ _ - 目日j j _ - _ 自- i _ - _ - i i ；_ i 日_ - 置_ 4 _ _ _ 唰 r m = ri i 日；i i 幕 化，其硬度与细化程度成破比增加。而b 钛合会t i 4 0 除氢后其硬度变化不明显。 关键词：钛合会，氢处理，微观组织 磁安建筑科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f t h ei n f l u e n c eo f t h e r m o h y d r o g e nt r e a t m e n to i l m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f t i t a n i u ma l l o y s m a j o r ：m a t e r i a t ss c i e n c e p o s t g r a d u a t e ：c a ox i n g m i n s u p e r v i s o r ：x iz h e n g p i n g p r o f z h a oy o n g q i n gp r o f a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fh y d r o g e nt e a m e n tf o rt i t a n i u ma l l o yi sa k i n do fn e ws y s t e m f o rc o m p l e t i n go p t i m u mc o n t r o lo ft i - hm i c r o s t r u c t u r ea n di m p r o v i n gp r o c e s s a b i l i t yb ym e a n so fu s i n gh y d r o g e ni n d u c e dp l a s t i c i t y ，h y d r o g e ni n d u c e d p h a s et r a n s f o r m a t i o na n de f f e c to fr e v e r s i b l eh y d r o g e na l l o y i n g h y d r o g e n t r e a t m e n tf o rt i t a n i u ma l l o yc a nm o d i f ym i c r o s t r u c t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dp r o c e s sc a p a b i l i t y ，s u c ha sm e t a if o r m i n g d i f f u s i o np r o c e s s ，m a c h i n i n g a n da l t e r n a t i v ep r o c e s sf o rc a s t i n gt i t a n i u ma l l o y 1 nt h i sp a p e lt h es t u d yf r u i t si nr e t a t i o nt ot h e r m o h y d r o g e nt r e a t m e n tt h e o r y p u tf o 州a r db vf o r m e rr e s e a r c h e r sw e r ei n t r o d u c e df i r s t ，e s p e c i a l l y ，t h e t h e o r e t i c a ia n dp r a c t i c e id e v e l o p m e n t si na s p e c to ft h e r m o h y d r o g e nt r e a t m e n t i n c o m p l e t i n go p 妊m u mc e n t r e io f m i c r o s t r u c t u r eo t i t a n i u ma l l o y sa n d i m p r o v i n gp r o c e s sa b i l i t yb ym e a n sa fu s i n gh y d r o g e ni n d u c e dp l a s t i c i t y , h y d r o g e nd e d u c e dp h a s et r a n s f o r m a t i o na n de f f e c to fr e v e r s i b l eh y d r o g e n a l l o y i n g f r o mt h eb a s i s t h e i n f l u e n c e so ft h e r m o h y d r o g e nf l e a t m e n to n m i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s sp r o p e r t i ef o rt w od i f f e r e n tt y p e so ft i t a n i u ma l l o y s c 【+ ba l l o yt c 2 ia n dba l l o y 憎0w e r ei n v e s t i g a t e d ，a d dt i o n a l l y ，t h e m e c h a n i s mo ff i n i n gm i c r o s t r u c t u r ea n di m p r o v i n gp r o c e s sc a p a b i l i t yw e r e a n a l y z e d s a m p l e sw i t hs i z e o f10 m m x10 m m 3 r a mw e r ea d o p t e d i n c l u d i n gt w o a l l o y sa n d e a c ha l l o yi nt w os t a g e s ：a s - c a s ta n da s f o r g e d h y d r o g e nc o n t e n t s o ft h es a m p l e sa r e0 1 ，f ，0 2 e t 0 3 w t 0 4 w t 0 5 w t a n dt h a lw i t h o u t h y d r o g e n a t i o n 。 m i c r o s t r u c t u r eo f s p e c i m e n s w i t h o u t h y d r o g e n a t i o n 、 a s h y d r o g e n a t e d a n dd e h y d r o g e n a t e dw e r ei n v a s t i g a t e db yo m ，s e m 。a n d t e m r e s p e c t i v e l y r e s e a r c h e sr e v e a it h a th y d r o g e ni n d u c e ss t r a i nb yi n c r e a s i n gt h e i ri a t t i c e p a r a m e t e r s ，e x p e n d i n gt h e i rc e l lv o l u m e sa n de n h a n c i n gt h ed i s l o c a t i o n s m o t i o n w i t ht h eh y d r o g o nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n gh y d r o n i d e s 可x h vc o u l db e f o r m e d ， t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e r m o h y d r o g e nt r e a t m e n tc a nr e f i n i n gt h e m i c r o s t r u c t u r eo ft i t a n i u ma l l o y st c 2 1b u ti th a sl e s s e f f e c t0 1 1 dt i t a n i u m a l l o y s l q 4 0 k e yw o r d s ：t c ia l l o y ；t h e r m o h y d r o g e nt r e a t m e n t ；m i c r o s t r u c t u r e 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 入在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：营乡、民 吼z 扩盯弓衫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：营、，丸导师签名：五e 智日期：溯f 多哆 j 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 钛及其合会具有优异的综合性能，如比强发高、耐腐蚀、无磁性、耐商温、 耐低温以及良好的综合工艺性能等。因此尽管钛的工业化，t 产只有4 0 多年的 历史，但他已在宇航、航空、石油、化工、轻工、冶会、机械、能源等许多部r1 得到了广泛的应用l j l 。 然而，由于钛合会的室温塑性低、变形极限低、变形抗力大、冷成形容易丁r 裂等，大大限制了钛合会的冷念工艺性。绝大多数钛合余必须在热念f 成形，但 热变形温度高，流动应力大，应变速率低，钛合会的塑变应力在压力试验温度为 8 5 0 - - 9 8 0 、变形率为( 0 2 。5 m m s ) 的等温锻造是5 0 - - 3 0 0 m p a i “。特别是对那 些高强、高韧、高模量、耐高温的难变形钛合会，这种现象尤为严重，限制了它 们的应用。 此外，出于热变形温度高，造成系统或工艺的高温保护豳难，费用高；尉时， 钛合余热加工时对模具材料要求离，要求模具能在9 0 0 c 以上的高温下仍需具有 足够的强度，对模具选材和制造带来了很大的困难，造成加工周期 ，、生，。费用 高等一系列问题【3 l ：不仅如此由于钛合金的热变形温度离和变形抗力犬的原冈， 给成形设备也提出了更高的要求。使得现有成形设备加工钛合金结构件的能力大 大降低，为研制新的成型设备提出了更高的要求，增加了设备研制的费用和难度。 为解决钛合会塑性加工过程中所面临的同题，其途径翕二：【4 l ：是增加现有 设备的能力，研制更大吨位的成型设备：二是降低钛合会的变形抗力和成形温度。 在1 9 5 9 年，原西德学者z w i e c k e r 和s c h l e i c h e r l 5 】在钛台会铸锭中加入适量的 氢，研究其热压力加工性能时发现合会的热；o n 3 性能得到明显改善，从i 而提出r 氢增加钛合会热塑性的观点。 随后，许多关于氢改变钛合会热加二【：性能的研究陆续展r 。k o l a c h e v l 6 指出禽 氖的t i 5 z r - 9 a i 5 s n 一2 m o 和t i 9 a i 合会的变形应力明娃减小。掘b i d a 和 d e p i e r r e t 7 1 得出的结论，当质量分数为o 。4 的氢加入到t i 6 a i - 2 s n 4 z r - 6 m o 合参 中，这种合会在7 3 0 的塑变应力减少了3 0 3 5 。 瑗安建筑科技大学硕士学位论文 另外，针对钛合会零件不易加工，且加工余量大，机械加工费约为整个零件 价格的7 0 8 0 的现状，为了降低钛合会零件的嗣造成本，美圈对各种净形 或近净形制造技术，如精密铸造、精密锻造、粉末冶会及超塑成形等相肖重视。 对钛合会而言，精密铸造是最成功也是应用最广泛的近净形制造技术，可显著提 高原材料的利用率( 可达7 5 9 0 ) 及降低加工成本。与钢铸件及斟合会铸件 不同。钛合会铸件的力学性能与相应的变形件相差无凡，特剐是断裂韧性及蠕变 抗力常优于相应的锻件。在应用中，钛合金几乎是唯能应用铸件代替锻件或机 加工件的材料，这主要基于它的两个特点：一是铸造显微组织与b 退火锻件组织 相似，二是钛在高温下的化学活性高，能溶解气孔表面杂质特别是氧化物，因而 采用热等静压( h i p ) 可完全消除铸造孔隙，不致造成氧化物央杂博】。 钛铸件与锻件的一个区别是锻件可通过热机械处理( j t m p ) 控制显微组织如 魏氏组织、等轴组织、双态组织等。钛铸件通常不能通过热机械处理束改变或控 制显微组织，热处理几乎是改善钛铸件显微组织、提高力学性能的唯一途径。炎 国、前苏联等对钛铸件的热处理进行了深入的研究，主要的热处理工艺是固溶一 时效处理( s 1 a ) 及热氢处理( t c p ) ，两种热处理都能显著提高钛铸件的于立伸 与疲劳性能。 热氢处理主要以氢作为临时合会元素，通过渗氢、共析分解、真空除氢等l 序，柬细化铸件的显微组织。氢处理后，铸件的拉伸、疲劳强度明显提高。钛合 金的热氢处理已闩益引起学术界及工业界的重视。 在应用方面，美国的些先进飞机、发动机的关键零部件采用b 圊溶一时效 处理及氢处理( 如h o w m e t 公司的c s t 专利技术) 使铸件的拉伸、疲劳强度达 到或超过锻件水平。俄罗斯1 9 9 5 年已把氢处理推荐为工业应用技术一l 。 本文研究了临时合余元素氢的含量超过01 质量分数后分别对t i 4 0 阻燃钛 合会和t c 2 1 高强高韧高损伤容限钛合余的铸念和加工念微观组织结构的影响。 1 1 氢处理技术的研究和发展 钛及钛合会能溶解大量的氡。纯钛在6 0 0 c 能溶解摩尔分数高达6 0 ( 质量 分数为3 ) 的氢1 瑚。并且，这种钛对氢的吸收是一种可逆反应，氢可用真空遐 火的方法除去。 西安建筑科技大学硕士学位论文 蚝期以来，氢在钛合会中的行为研究多集中在微量氯的范畴，把氧看作种 有害元素对钛合金室温韧性的影响。掘估计如果氧含量控制在1 0 0 1 5 0 p p m 以 下，将会消除对合会性能的影响o ”j 。钛台余的合会成分中对杂质元素含量h 的 技术指标也说明了这种限制。 氢脆的形成是由于作为固溶元素的氢原了进入合金以后，增加r 晶格常数， 溅弱了原子间的结合力，增加了原子问的 r 教能力，降低了位错删的反嘘能，健 进了位错的滑移，使塑性变形限制在滑移丽上，这样就导致断裂面表现出低的脆 性m 1 。 然而，氢对钛合金也有有益的影响。氢在钛合会中能够稳定具有较易热加一【： 的p 相结构，因此可以作为临时钛一氢合金提供种潜在的用途。它可以降低甥 性变形的应力，增加塑性变形量。与其它的9 稳定元素不同，氢的充入是可遵怕， 利用氢甥进行变形加_ t 后氢可阻很容易地通过真空退火的方法除去。相对f 常 规的8 稳定台金元素，氢元素的可逆规律具有无法比拟的优势。另外，利用氧作 为临时合会元素还可以细化钛合会组织，并蛙，氢对台会机械性能的影响在真 空退火除氢后仍可以傈存f 束。 l ，1 l 氢在钛合金中的微观存在机制 氢在钛台会中的存在机截决定着它在铣台金中的作用机制，同时也决定着氢 处理过程的技术和工艺。因此，有必要对氢在钛合会中的微观存在机制进行进一 步的了解和研究。 a 台金中氢的存在形式氢同金属或台会反应，氢浸入其晶格闸隙位置，金 属晶格可看成是容纳氢原子的容器。典型的金属晶格有面心立方晶格( f c c ) 、体 心立方品格( 3 c c ) 和六方密堆集晶格( h c p ) 。在面心立方体品格和体心立方体 晶格中，六配位的八面体品格问位置和四配位的四面体品格问位置是氢稳定存荷 的2 个位甓。在母体会属为面心立方品格( f e c ) 的场合，对于露予半径小椭金 属( n l 、cr m n 和p d ) ，氢进入其八面体晶格问位簧( 0 位置) ；在母体会幅为 体心立方品格构场合( b c c ) ( v 、t a 等) 氯进入其斟面体品格川位嚣( 位 旨) ：母体会属为六方岛密充填( h c p ) 的场合，即原子半径大的会属( z r 、s c 、y 、 稀二l 金属) ，氢主要进入其四面体品格蚓位置( t 位髯) “。 稀二l 会属) ，氢主要进入其四面体品格州位置( t 位置) “。 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i j 掣,iii,i i i ；z i a ；i i ；i ；j ；i i i i ；常 金属形成氢化物后，氢化物中余属晶格结构有和余属相一样的结构，也有变 为与会属相完全不同的另一种结构。前者称为溶解闯隙型，如p d h 和l a n i ；- h 系等，后者为结构变态型，如t i h 和m 9 2 n i h 系等。大多数余属在氯化反应过 程中，其晶格要发生重新排列，产生与金属品格不问的结构。少数会属氢化后 会属品格不变，除离子型氢化物外，都伴随着体积增加，发热量较小。t e 成离子 型氧化物的会属，氢化反应中，发热量大，而且体积收缩l h 。 氢原子进入金属中，有三种存在状态：( i ) 以中性原子( 或分子) 形式存钉! ： ( 2 ) 放出1 个电子后，氢本身变为带正电荷的质子( h + ) ：( 3 ) 获得多余 h 子后变为 氢阴离子( h 。) 。 金属中的氢非常容易扩散。其扩散系数为氧和氮在会属中的1 0 ”1 0 2 0 倍m 】。 研究表明：氢在钛及钛合令中间隙围溶，且溶解度高。在6 0 0 。c 及1 0 0 k p a 压力下，纯钛可溶解的氢达6 0 ( 摩尔分数) 。如果钛氢系统中的氢含量超过合 会的固溶度时，则可形成氢化物，主要有面心立方结构的6 氢化物、体t l , 立方结 构y 氢化物。 王字【1 8 1 等通过x 射线衍射分析认为，纯钛为密排六方( h e p ) 结构的n 楣。 当钛中氢含量x 0 1 时，除了1 2 相，还出现体心立方( b e e ) 的亚稳态y 氯化物 ( 典型成分为t i h ) ，当x 较高的时候，如当x = 1 6 时，y 相的衍射峰已很弱了， 大部分转变为面心立方( f e e ) 的6 相( t i h 2 ) ，当x 1 9 时，则6 相儿乎完全取 代了e l 相和y 相。 b 氢在钛合金中的溶解图1 1 是t i h 二元相图，从图可看到，在a t i 中的氢溶解度达到1 7 0 0ug g ，而在宣温氢的溶解度仅为2 0 pg g ，因此如果d - t i 中的氢含量超过2 0 pg g ，冷却到室温时会析出氢化物t i h x ( 1 j x 2 ) 。 氢在纯b t i 中的溶解度极高，在共析温度( 3 2 54 c ) 为9 2 0 0 1 1g g ，当加入适鼍 的稳定元素后，在室温可得到b t i 室温时氢在p t i 中的溶解度也很岛。 在早期的研究中，c o t t e r i 1 9 等认为氢含量达到l o g 0ug g 时n + 9 钛台令。 j 也没有氢化物析出，但是h u b e 2 0 j 在其后的研究中测出氯含量达到5 6 4 9 g 时礁! a 和b 斗 j 的界面上就会出现氢化物。 西安建筑科技大学硕士学位论文 国1 1n h 二元相图( p h 2 = l a t m ) 氯在钛合会中的溶解过程可用图1 2 模式表示。氯分子与合会接触时就 吸附于合金表面上，氢的h h 键解离，成为原子状的氢( h ) ，原子状氧从合会 表面向内部扩散，浸入比氢原子半径大得多的金属原子与会属的问隙中( 晶格问 位置) 形成固溶体。固溶于余属中的氨再向内部扩散，这种扩散必须有由化学吸 附向溶解转换的活化能。固溶体一被氢饱和，过剩氢原子与固溶体反应生成氢化 物。这时产生溶解热。反应热的扩散，成为反应的控速步骤。所以了解氢在金 属本体中扩散系数的大小有助于掌握会属中氢的吸收一解吸过程动力学参数。 一般来说，氢与金属或合会的反应是一个多相反应，这个反应由下列基础 反应组成：( 1 ) h 2 传质；( 2 ) 化学吸附氢的解离：h 2 2 h 。d ；( 3 ) 表面迁移；( 4 ) 吸附的 氢转化为吸收氢：h 捌一h 。h ：( 5 ) 氧在n 相的稀固念溶液中扩散：( 6 ) o 桐转变为p 相：h a b 。( n ) 一h 如( b ) ；( 7 ) 氢在氢化物( b 相) 中扩赦。 图1 2 氢在合会中的溶解过程 氢在会属或合会中的反应是一个可逆反应，在真夺和高温的情况卜，合会r 卜 西安建筑科技大学硕士学位论文 的氢化物就会分解出氢离子，进而形成氢分子，从台会中溢出。 c 氢在钛合会中的扩散氢是原子半径最小的元素( o 。4 6 a ) ，“以煨f 形式存在时将位于钛的阊隙位置。氢的扩散能力很强但仍然受到晶体结构等多 种因素的影响，比如氢在密排六方结构的。一t j 中和体心立方的b t i 中的扩敝 系数相差巨大。氢在8 相中的扩散系数比a 相中要高出几个到 。个数量级【2 2 ”i 。 氢存几种钛合会中的扩散系数随温度的变化如图1 3 所示。【b 图可知，相1r ；j 温度f 氡在b t j 中的扩散系数远远大于在a - t j 中的扩散系数。而在盔温时， 氢在纯“t i 和a 钛合会中的扩散系数相差不大。 蓬4 。0 。p ! 、 篓“叫” 一一 _ 墨 ， 三i 。 0 w ；t 图1 3 氢在钛及其合会中的扩散系数 经过高温气体充氢的试样一般不存在宏观的氢浓度梯度，氢在整个厚度范圈 内均匀分布。但如果存在应力集中，比如试样中有裂纹时，氢原子会在应力作用 下向三向应力区扩散聚集，在应力区的局部位置达到新的浓度平衡。应力作用卜 氢平衡浓度公式为 2 4 1 ： c = c 。e x p ( v h 盯。r t ) 式中：c 为应力集中位置氢的浓度，c 。为o 。= 0 时的平均浓度。、为应力集 中的值，v 、为氢在钛合会中的偏摩尔体积。 由上式可知，即使试样内氢浓度很低，也有可能在裂纹尖端通过成力诱导于 散而聚集高浓度的氢，当超过氢的溶解度以后，就会在裂纹尖端局部区域析出氧 化物，这在试验中已经得到了证实。如：p a t o n 等人“发现，在室温时龠氧为1 0 0 “g g 的t i 一4 a i 合会中看不到氢化物，但预制裂纹加载后在裂纹前端产生成力 诱发氢化物；w il lj a m ”“对t i 一2 f e 一2 z r 、t i 一4 v 、t i 4 m n 等o + 0 钛合会的研究也 发现了丰h 同的结果。 西安建筑科技大学硕士学位论文 d 钛合会中的氢化物从图1 1 ，t i h 的二元楣图可以看出，高台氢量的钛食 会从高温缓冷时会析出氢化物，此外在充氯过程中和在应力诱导氢原子扩散过样 中，如果超过了氮的固溶度也会析出氢化物。氢化物是一种脆性相，在沉淀析出 过程中会出现几种形态，最终形态t i l l 2 最为常见，n h 2 的析出会造成大约1 8 的体积膨胀，这个现象对钛合会力学性能将产生影响。h a d d a d t 2 6 i 等认为铁合金 中通常存在三种氢化物：6 、和y 氢化物。t i l l x 中1 5 x 1 9 9 的是6 氰化 物，它具有面心立方( f c c ) 结构，是氢与b 相共析转变的产物，过量渗氧的c - 相也可以析出6 氢化物：6 氢化物中：t i 处于结点位置h 处在面心立方的叫【f 1 1 体问隙位置，即是c a f 2 结构，点阵常数a = 4 4 4 a i ”1 。t i l l 2 称为氢化物，县宵 面心币方( f c s ) 结构，e a 1 8 l ，5 x 1 9 9f c cl x = 2 f c s 1 0 时。一t 曲线的形成受b 相的位错堆积能、合会元素的扩散率、b 相的晶粒尺寸、 备相的结构条件以及变形的热处理条件的影响。 在温度高于或低于t o 时，在0 一t 和。一e 曲线上所表现出来的筹异，足 b 于。和b 固溶过程中发生了不同的动态软化机理。b 相固溶软化的动力学0 犬 多数b b c 结构的会属和台金相似，主要受多边化的影响。o 相的固溶软化主要是 磊m m m 口 鑫 ” ” ， 西安建筑科技大学颚士学位论文 动念再结晶的结果。 从以上分析可以得出结论：氢对钛合会塑变应力有f 反两方甬i 的影响。方 面作为有效的相稳定元素，它增加b 相的数量，减弱原子问的结合力，提高原 子的扩散能力。进而降低塑变应力：另一方面是氢原子的闽溶强化效应，虽然与 其它b 相稳定元素相比，它具有最弱的强化效果。这可以从全b 钛合金的颦变成 力随氢含量的增加而提高得到证实。 目前。一般认为氢致高温增塑的机制是【5 35 9 j ：( 1 ) 氢使p 转变温度f 降，b 相体积分数增加，而1 3 相具有较多的滑移系，在高温下易于变形，具有增塑和降 低流变应力的作用；( 2 ) 氢不仅能诱发新的滑移系，而且促进位错增值和增加位错 的可动性，使更多的位错开动并参与滑移，甚至攀移，有利于塑性变形过程的进 行：( 3 ) 氨致弱键效应导致的原子结合力的下降及氢加快合会元素扩散对高温塑性 也有一定的促进作用；( 4 ) 氢可以增强动态回复和动念再结晶效应有利于提高塑 性和降低变形抗力。 ( 3 ) 氢对合金超塑性的影响及其作用机理超塑性是众多材料在特定的变性 条件下表现出来的一种流变特性。它具有应变速率敏感性岛、流变应力低以及延 展性极好的特点。国内外学者研究表明：钛合金渗氢可以显著降低超塑成形温度 和流变应力，提高应变速率。 赵林若i 柏对t i 6 a 1 4 v 的超塑性流变性能进行了研究，并指出：拍：给定温度 的超塑性变形条件下，氢含量小于0 1 7 ( 质量分数) 时可同时起到降低流变应 力和增加r n 值的作用：如果维持。和8 两相比例不变，即保持流变应力不变， 表渗氢试样的超塑温度为9 0 0 ，而渗氢01 7 ( 质量分数) 试样的超塑温度为 7 8 5 。c ，二者相差1 1 54 c ，说明渗氢使合会的超塑变形温度蜂低了l o o 以卜，闻 时流变温度可随氢含量的增加而降低：氢含量小于o 1 ( 质量分数) 办可同时 降低变形温度、增大m 值，但流动应力略有提高，说明钛合会加氯可以起到改 善超塑性的作用。 宫波1 6 i j 等人在研究氢对钛合金的组织转变影响的同时，研究了氢作为合金化 元素( 00 7 - - 0 3 8 ) 在1 0 7 3 1 2 2 3 k 对t i 一6 a i 4 v 流变应力、应变速率敏感 性指数、延伸率及变形激活能等超塑成形参数的影响。结果表明氧对钛合会的超 塑性性能具有双重的影响：一方面，氢使合余的流变动力降低，或超塑变形温度 降低：另一方面，氢使合令的最佳应变速率敏感性指数和延伸率下降，形变激活 西安建筑科技大学硕士学位论文 能升高，只有适当地控制氢含量和变形条件彳。能发挥氢的积极作用。 高文1 6 2 j 等人在研究t c i l 超塑性时发现：8 5 0 且氢含量小于0 18 ( 质量 分数) 范围内，随着氢含量的增加，流变应力下降的幅度较大，0 18 ( 质量分 数) 的渗氢试样的流变应力仅为原始试样的一半以下：当氢含量超过0 1 8 ( 质 量分数) 时。随着氢含量的上升，一方面b 相比例增加而流变应力下降，另方 面进入或接近b 相区而导致b 相晶粒迅速长大，造成流变应力回升，更多的氯含 量不利于超塑性。氢对钛合盒超塑性能的影响主要取决于氢对动态强化和动态软 化过程的影响，只有在a 和b 相的动态等强度情况下，两相在应力作用下的增塑 过程队总体变形的作用大致相同，氢对钛合会超塑性能的改善最为明显。 实验结果证明钛合金超塑性流变的微观机制是：1 ) 流变性较好的b 相变形 在应变速率较低时以扩散蠕变为主，而在应变速率较高时以位错蠕变为主，蠕变 的结果改变了晶粒形状；2 ) q 相的变形是以o n 晶界滑移为主通常是由扩 散和位错运动共同协调，晶界滑移变形使晶粒保持等轴态；3 ) a 与e 两相间的 流变协调主要是由n 与b 相界迁移来完成。由此可见：扩散和位错运动在超氅流 变中起主要作用。 因此，钛合盒的加氢改善超塑性的主要原因为6 0 一嘲：1 ) 氢使合会元素扩散 能力的提高直接导致增强了超塑变形时b 相扩散蠕变作用和。o 品界滑移的 扩散协调作用；2 ) 氢的扩散激活了钉扎中的位错，促进了为错的攀移和滑动， 改善了b 相的流变能力，有利于o o 品界滑动所要求的位错协调作用：3 ) 氰 致弱键作用减少了扩散激活能，增强了原子的扩散能力，改善了超耀性的流变能 力；4 ) 氢使0 转变温度下降。0 相数量增加，直接导致流变应力降低和颦性的 提高，同时依据最佳超塑性温度与8 转变湿度之比约为0 9 豹条件，最佳超塑性 成形温度办相应下降。 e 氯处理在粉术冶金中的应用早期的文献报道”了氢化的钛粉在热等静压 ( h i p ) 过程中氢量无明显损失，真空除氢后可得到等轴细化的显微组织。 “】 残余的孔隙和晶粒的粗糙状态( 粗糙的原始b 晶粒和晶内篮网状结构) ，这些都 会降低材料的结合性能。而加氢的钛合会粉末山于粘着能力和塑性的增加，钛粉 可在标准工艺的固结压力下比标准工艺低1 0 0 1 5 0 获得商质量的制件，片。缩 短了过程时间。热等静压与t h r 处理褶结合，可以提高强度、降低钛粉闽结温度 和固结压力。真空除氨后可得到等轴细化的显微组织。最近的研究表明这种l 西安建筑科技大学硕士学位论文 艺也适用于钛铝舍命的粉末冶会，如将t i - 2 4 a i 1 1 预合会粉未于6 l o m p a 的氢压下氢化处理，然后热等静压，最后于9 2 3 11 4 3 k 真空脱氢。氢的加入使 p 转变温度降低，可使材料在较低的温度下发生塑性流变，热等静压温度可降低 l o o k 。真空除氯后可获得微米级的细晶组织。 d 钛合会氢处理在其它领域中的应用研究表明畔l ，渗氢可以起到加强附 着和增塑的作用，钛合会中加入适量的氢可以在比常规扩散连接1 ：艺( 包括超甥 成形扩散连接和扩散焊接) 低的多的温度( 5 0 - - 15 0 ) 条件下获得高质量的扩 散接头；若在常规扩散连接温度下，渗氢毛坯的扩散连接单位压力可降低3 0 7 0 ，同时还可缩短过程时间。提高效率；如对b t 6 合会的渗氢扩散连接性能 的研究表明，扩散焊接温度从9 0 0 9 5 0 c 降低到8 5 0 8 7 0 ，压力从l o m p a 降 低到1 5 5 m p a ，对b t i 0 、b t 3 1 和0 t 4 也获得了类似的结果。 1 ，1 ，5 氯处理过程的工艺方法 关于t c p 处理工艺已有不少报道，如图1 1 所示。k e r r 1 8 , 2 4 1 最早提出 h v c ( h y d r o v a c ) 的t c p 工艺包括渗氢、b 固溶处理、时效处理、真空除氢。l e v i n l 6 5 j 发明了pq h d h 工艺，首先1 3 固溶处理，然后水淬一渗氢一真空处理。e y l o n 扣6 | 等人推出h t h 工艺，在合金氢化a b 转变点以上渗氢处理一真空除氯。 i y i n l 6 7 】提出了钛合会t h t 的5 种可能方式，见图1 1 3 ，每种模式的理论依掘 都是基于控制渗氢钛合会的一种或几种相变。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ；j _ 宣皇宣i 盈i 宣l 皇宣宣- i e 叠_ i 习嗣_ 宣薯奄摹_ 嗣；| _ 誓目j i _ - 宣誓嗣- - 宣；i 墨i 摹；嗣；i 嗣篙；i 图1 1 3t h t 几种基础的熟处理制度 在上图中a c 3 一相转变温度a “c 3 一渗氢后的相变温度 a ，上图中几种氢处理模式的特点模式i ( t h t - i ) 是基于含氢0 相的非等温分 角4 1 。根据合金的类别，在以l 缶界速率冷却条件下，b 相的分解将以以f 方式进行： 1 3 o 十b ：b jo + y ( 氢化物) ，在随后的真空冷却过程中：b oo ，对j i 温度 和处理速率的选择应能产生最大量的细化结构和避免在渗氢和真空退火过稷巾 发生b 相品粒的长大。因为是非等温相转变，结果产生的微观结构可能不是很均 匀。 模式2 ( t h t - 2 ) 是基于获得最大量的亚稳态b 相( 以接近v 。，的速率冷却) ，随 后在一般的空气炉或真空炉中时效，最后真空退火。最后的微观结构掰以均匀的 西安建筑科技犬学硕： ：学位论文 i i 4 。2 。2 。2 2 2 4 。2 。2 4 2 ib i 一ii ii # ； 细化，甚至单相。合会也是均匀的。 模式3 ( t h t - 3 ) 要求重复b 相的共析分解( 热循环) ，使产生大簧的，j & 格缺陷， 提商热均匀性分解一并f 1 重结晶得以累积。最大鞋的氧含嚣和最小的冷却速卒足 必1 ：u 】少的。 模武4 ( t h t - 4 ) 主要是重复s a 马氏体转变，使产，i i 久餐的品体结构缺隅， 以提高亚稳态b 相重结晶的热均匀性分解。这种模式要求d 咎a 码氏体转变c fz 包 括大量的位错。因此氢含量的选择应最大黄的醑低a “c 3 和m s ，并且避免b c ， 马氏体转变产牛t 4 n n e d 马氏体。所以冷却应该在临界速率f 进行。 模式5 ( t h t - 5 ) 主要是重复1 3 c l 。加热温度以及加热和冷却速率j 避能提供i i 氏体相的析出，著使新相析出得以扩散生长。这晕t h t 解决了与模式4 相同的 问题，但是它要求的温度一速率模式 b 不同t h t 处理对于不同钛合会组织结构的影响( 1 ) 合金：v t l 一0 0 ，v t i 一0 v t i ，t i 一5 a i ( v t 5 ) ，t i 一5 a i 2 5 s n ( v t 5 一1 ) ，等。这类台会若通过传统的热处理手段 不进行塑性变形加工很难得到强化。渗氢使合会转变成马氏体相，在这罩任意 种t h t 处理模式都是有效的。 t h t - l 和2 使大的片状a 结构变为细小晶粒状。大的品粒没有得到细化，但 是在其内部有高角边的精细a 梢结构形成。另外低温真空退火会产，扛两种异形 。相的混合物，它含有6 8 36 的a l 在t i 一5 a 1 合令中，平均含量是5 ，这 种结构在6 0 0 c 是稳定的，但在更高的温度n 相结构将被均匀化。 t h t - 3 和5 同样会在之阿的b 晶粒内产生精细的g 品粒。然而，这个过程会伴 随着n 品粒存品界处的重结晶。t h t - 5 可以避免晶内心力的产生，t h r - 4i 】1 1 j 会导 致n 晶粒的完全再结晶。 ( 2 ) 马氏体a + b 合金：t i - 6 a i 一4 v ( v t 6 ) ，t i 5 a i 一4 5 v - 2 m o 1 c r - o ，6 f e ( v t 2 3 ) t i 一6 2 4 2 等。这类合金通过热处理硬化需要较高的冷却速率和冷却温瞍。冈此， 利用t h t - 1 和2 可以在相对较低的冷印速二每f ( o 5 一o 0 3 k s 。) 获得必需的“ b 精化组织。 ( 3 】过渡o + b 合金和准p 合余：t i 一1 0 2 3 ，b i i i ( v t 3 0 ) ，t i 5 a i 5 v 一5 m o 1 c r 一1 f e ( v q 、2 2 ) ，等。t h t 处理具有j ：马氏体合会棚1 日的效粜。t t t t - 1 利21 i 仪除氯 后产牛精细的a + b 结构，瓶且台：。卜问阶段相的组成和结构也有利川0 他的技术 处q ! ，比如塑性变形。 凹安建筑科技大学硕 ：。位论文 ( 4 ) 准q 高温高强合；i m i 8 3 4 ，t i l io o ，t i 6 5 a i 1m o iv - 2 z r ( v t 2 0 ) t i 一6 5 a i 2 5 s n 3 5 z r 0 5 m o 一1 n b - 0 2 5 s i ( v t l8 u ) ，等。对于这类合金，传统的热处理硬化州 论上是允许的，但是在实际操作中是1 ；可能的，冈为它需蜚i 键商的冷却速j 簪。淬 冷可以稳定哑稳态相，f h 是这螳是 # 充分饱和的，时效硬化效果较低并l 火会使材料软化。t h t 处理解决了硬化的问题，它埘v t l 8 u 合会和其它t 含金 1 样有效。对于v t 2 0 合会t h t - 1 和2 是最有效的。 ( 5 ) 高温高强a 2 合会：q 2 ( t i 一1 4 a i 一2 2 n b ) ，超0 【2 ( t i 一1 4 a i 一2 2 n b 3 2 v - 2 m o ) ， 俄罗斯的v t i 1 等。这类合会室温延性很低，4 i 能用t h t _ 3 t h t _ 5 处理佃，t j 用t h t - l 和t h t _ 2 处理。 东北大学的张彩蓓指出，以上工艺的特点是合会需要在氯化前( 0q h t h ) 、氢化后( h v c ) 或氢化过程中( h t h ) 进行b 嘟溶处理，最后真宅除氧。 几种工艺均能使t i 6 a i 4 v 台金的拉伸强度和疲劳强度有较人幅度提高，但塑r ： 损失较大。因为经1 3 固溶处理后，1 3 晶粒长大、粗化。真窀除氢后，虽然p 晶内 的组织细化，但b 晶粒并未细化，而且原p 晶界会出现a 相导致合会塑性卜降。 为克服以上不足，张彩璐等设计了一种新工艺，即在合会氢化a 1 3 转变点以卜 0 4 0 k 对合会渗氢，然后空冷到室温，最后真空除氯。目的是为了避免b 品粒 的形成、粗化和晶界n 相的出现。对t i 一6 a i 一4 v 几种组织按上述几种：【一艺处理后 其显微组织发生不同变化。 c 对于b 钛合会渗氢处理的理论探索出于1 3 钛合会高的比强度、优异的抗 腐蚀性和较好的硬度，加上翕有大量的体心立方结构的高温b 相，使它具有# ：i f l , 0 韧性。0 钛合金具有很重要的战略地位。它广泛应用j 二航空、航天，近期义心用 丁_ 汽车i 业上。 相对于人们所熟悉的氢引起的有害的影响一氢脆，氧在“定条件j 刘p 钛合 会的机械性能也能产生积极的影响。这足因为氢能够稳定钛的0 牛 ，通过热毓处 理能够优化显微组织。 纯钛在8 8 2 * ( 7 下，六方晶系的。相转变为体心立方晶系的1 3 相。为了稳定b 拥，p 钛合舍常用台金元素是0 稳定元素m o 和v 等。大多数商刑口铁合会越，5 氏体态的，这为获得小同的珏微组织、优化机械性能提供i ，f 能。微观绀钐0 l 州 整使通过两步热处理来进行的。第步，相二- 舒于或少低于