论文详情
当前位置:文章列表 - 论文详情
热氢化处理对等轴晶α+β相钛合金组织与性能的影响
2017-08-11来源: 材料保护 2017 第1期 作者:

解璟昊1a,宋 扬1b,舒圣诚2

(1. 武汉理工大学 a.能源与动力工程学院,b. 自动化学院,湖北武汉 430063;2. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所,浙江宁波 315201)

[摘 要]长期以来,氢在钛合金行为研究中常被看作有害元素,然而在一定条件下氢对钛合金有积极作用,但相关定量研究较少。以氢作为暂时性合金元素对Ti6Al4V合金进行热氢化处理制备了不同氢含量的氢化试样。采用扫描电镜、X射线衍射仪、硬度测试等研究了氢含量对于Ti6Al4V钛合金组织及性能的影响。结果表明:对于氢含量低于0.7%的氢化试样,α晶内均发现片状细化晶粒,随着氢含量的增加,组织晶粒细化越明显,α相含量逐渐减少,β相逐渐增多;由于晶粒组织的改善,其硬度也得到提高,当氢含量为0.6%时,硬度达到最高值383 HV;但当氢含量超过0.7%时,由于氢化物的析出产生较大内应力,导致氢脆,降低了钛合金的力学性能。

[关键词]热氢化处理;α+β相;Ti6Al4V钛合金;晶粒细化;力学性能

0 前 言

钛及钛合金比强度高、密度低、耐热性能和耐腐蚀性能优异,被广泛应用于航空航天、汽车、造船、核电、冶金、先进武器等行业,特别是航空发动机的叶片、导弹和潜艇的结构部件中,被誉为“太空合金”和“海洋合金”[1,2]。但钛合金的热成形仍存在一些问题,如变形抗力大,铸造成形后组织粗大,锻造成形时热变形温度高,流动应力大等,而热氢处理技术可以细化晶粒组织,改善其力学性能[3-5]。长期以来,氢在钛合金中的行为研究中常被看作有害元素,产生氢脆现象降低钛合金的性能,然而在一定条件下,氢对钛合金具有积极的作用,钛合金的热氢化处理技术将氢作为一种临时合金元素,利用氢致塑性、氢致相变和氢的可逆化来实现对其组织性能的改善[6,7],但相关研究只停留在定性阶段,未见定量研究。本工作以双相α+β等轴晶Ti6Al4V钛合金圆片为试材,研究了不同的热氢化含量对Ti6Al4V钛合金组织性能变化的影响,定性定量地描述热氢化处理过程中Ti6Al4V钛合金组织性能的变化过程,从而得出最佳的热氢化处理工艺参数。

1 试 验

1.1 试 材

试材为Ti6Al4V钛合金圆形截面棒材,其化学成分(质量分数,%):5.950 Al,4.200 V,0.035 Fe,0.019 C,0.004 N,0.003 H,0.050 O,余量Ti。使用机床将棒材直径切削至15 mm,之后线切割成厚度2 mm的圆片,适当的试片厚度可缩短氢化处理的时间。将加工完成的圆片放置于密封的石英管内,再将石英管置于高温炉内进行热处理:600 ℃下保温60 min,然后进行480 ℃退火处理,以获得双相α+β等轴晶钛合金。

1.2 热氢化处理

采用气相热氢化处理,将试片置于高温氢气环境中,因高温能使氢原子较快地扩散,再加上钛合金对氢气的高亲和性,在气体压力下,可以在短时间实现热氢化[8]。将试片放在管式高温炉内,以30 ℃/min的速率升温至热氢化处理温度600 ℃,并保持炉管内的氢气流量(压强1.3×10-1Pa),保温5~8 min。热氢化处理结束后,利用电子天平(精度为10-5g)称量热氢化处理前后试样的变化,获得含氢量分别为0,0.1%,0.3%,0.5%,0.6%,0.7%,0.9%(质量分数)的试样。

1.3 测试分析

利用OLYMPUS金相显微镜和JCM-6510扫描电镜(SEM)观察钛合金热氢化处理前后的微观组织。将试件经抛光处理后,采用HVS-30维氏硬度计测量钛合金热氢化处理后的硬度,载荷5 N,时间20 s,取8点的平均值。利用X射线衍射仪(XRD)分析钛合金热氢化处理后的相成分。

2 结果与讨论

2.1 热氢化处理分析

图1为双相α+β等轴晶Ti6Al4V钛合金的热氢化处理平衡曲线。

图1 钛合金热氢化处理平衡曲线

由图1可知:热氢化处理量在0.7%以下的氢化处理均在5~8 min内达到热氢化处理量的平衡,且热氢化处理量越小,所需的平衡时间越少;渗氢量为0.9%的试样在20 min内未达到平衡,这是由于随着氢浓度的增加,与钛合金发生共析反应,发生不同的相变过程,并伴随着氢化物的析出,复杂的相变过程导致所需时间增多。

2.2 显微组织结构

图2为Ti6Al4V钛合金热氢化处理前后的金相组织结构。从图2可以看出:钛合金热氢化处理前主要为由等轴晶的α相和β相组成的双相组织,组织分布非常均匀,并且可以看到由于棒材的拉拔作用,使合金的晶粒变长;热氢化处理使组织得到细化,且随着氢含量的增加,α相含量逐渐减少,高温稳定β相逐渐增多,所有的合金结构均为双相组织。氢化处理可以改变钛合金相的分布、尺寸和形貌,氢是β相的稳定元素,且在α相中的溶解度很低。

图2 不同氢含量氢化试样的金相显微组织

图3为不同氢含量氢化试样的SEM形貌。从图3可以看出:氢含量较低时,晶粒细化效果不太明显(图3a,3b);随着氢化程度的增加,可明显观察到α相内晶粒细化的效果,其纳米结构排列具方向性,呈现薄片状层相堆形态,尺寸约为100~200 nm(图3c,3d,3e)。而氢含量为0.9%氢化试样上发现微米裂痕,宽度约10 μm,发生了氢脆现象。这是因为当氢含量较高时,会从α相中析出氢化物,氢化物的析出伴随着体积的改变导致塑性应变,从而产生内应力。

图3 不同氢含量氢化试样的SEM形貌

图4为不同氢含量氢化试样的XRD谱。从中可得出未经过氢化处理的Ti6Al4V钛合金主要由密排六方的α相和体心立方的β相组成。经过氢化处理后,随着氢含量的增加,可明显地看到材料中出现了面心立方的δ相对应的衍射峰。随合金氢化处理程度的增加,半高宽也增加,即α相内平均粒径有缩小的现象,不排除为晶格内应力的影响。但合金生成δ相后,观察到半高宽有变小的趋势,为氢脆现象导致内应力释放所致,β相特征峰面半高宽则无明显规律变化。

图4 不同氢含量氢化试样的XRD谱

2.3 硬 度

不同氢含量氢化试样的显微硬度曲线见图5。从图5可得出,合金的硬度随着氢含量的增加呈现先增加后降低的趋势,在热氢化处理量为0.6%时硬度达到最高值,为383 HV,相对基材提高了28.5%。且热氢化处理处理后的合金硬度均要高于未热氢化处理处理的合金(裂缝位置除外),这是由于经热氢化处理后,所测的是组织发生一系列相变之后的硬度,而不是最初的α相和β相的硬度,热氢化处理后,少量的氢进入α相和β相的间隙形成间隙固溶体,并起到固溶强化的作用,从而使合金的硬度提高。随着氢含量的增加,一方面α相中发生反应αHα+δ析出δ氢化物,氢化物的产生伴随着塑性变形,从而产生大量的位错;另一方面,β相中发生共析转变:βHβ+δ而析出δ氢化物,也产生大量的位错,从而使得合金硬度随着氢含量的增加而增加[9]。但当氢含量过多时,内部氢化物的析出伴随着体积的改变导致塑性应变,从而产生过大的内应力,甚至出现裂纹,所以硬度逐渐降低,最终导致合金的硬度随着氢含量的增加呈现先增加后降低的趋势。

图5 不同氢含量氢化试样的硬度分布曲线

3 结 论

(1)氢作为暂时性合金元素能够改善钛合金的组织性能,合理的热氢化处理可细化晶粒,提高其力学性能。氢含量低于0.7%的氢化试样中,α晶内均发现片状细化晶粒,随着氢含量的增加,组织晶粒细化越明显,但高于0.7%氢化处理的组织出现微小裂痕,产生氢脆现象,降低了钛合金的力学性能。

(2)随氢含量的增加,热氢化处理使得合金的硬度呈现先增加后降低的趋势,在氢含量为0.6%时硬度达到最高值,为383 HV,相对基材提高了28.5%。

[参考文献]

[1] 刘 刚.钛合金化学镀镍-磷前后处理对镀层耐腐蚀性能的影响[J].材料保护,2013,46(10):1-3.

[2] 朱雪峰,余日成,黄艳华,等.热处理对TA19钛合金组织和力学性能的影响[J].金属热处理,2015,40(2):103-106.[3] 刘鑫旺.γ-TiAl基合金液态热氢化处理及其对组织和力学性能的影响[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011(6):9-10.

[4] 姬书得,温 泉,吕 赞,等. 激冷影响TC4钛合金FSW残余应力与变形的规律[J].中国机械工程,2016(2):531-543.

[5] 吴少华,石皋莲,任 佳,等.Ti6Al4V钛合金表面Ni60-10%hBN激光熔覆层的摩擦学性能[J].材料保护,2015,48(7):30-32.

[6] TSIPAS S A,Vázquez-Alcázar M R, NAVAS E M R,et al. Boride coatings obtained by pack cementation deposited on powder metallurgy and wrough Ti and Ti-6Al-4V[J]. Surface and Coatings Technology,2010,205(7): 2 340-2 347.[7] 刘继雄,马宏刚,李 巍,等.两相区热处理制度对TC18钛合金等轴化规律的影响[J].金属热处理,2015(5):77-81.[8] 肖静先.不同类型钛合金热氢化处理及热变形对微观组织结构的影响[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009(6):13-14.[9] 赵敬伟.热氢处理对钛合金组织演变及高温变形行为的影响[D].沈阳:东北大学,2009(7):46-50.

[编校:严 灿]

Effect of Thermohydrogen Treatment on Microstructure and Properties of Titanium Alloy with α+β Equal Axis Crystal

XIE Jing-hao1a, SONG Yang1b, SHU Sheng-cheng2

(1a. School of Energy and Power Engineering,b. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China)

Abstract:Using hydrogen as a temporary alloying element, thermohydrogen treatment was applied on Ti6Al4V alloy for preparing hydrogenated sample with various hydrogen contents. The scanning electron microscope, X-ray diffractometer and hardness test were used to analyze the effect of hydrogen content on the microstructure and properties of Ti6Al4V alloy. Results showed that for the hydrogenated sample with less 0.7% hydrogen, flake refinement grains were observed in α phase. With the increase of hydrogen content, the grain refinement became more obvious, and α phase content decreased and β phase content increased. Owing to the improvement of grain structure, the hardness was also enhanced. When the hydrogen content was 0.6%, the hardness was the optimum to 383 HV. However, when the hydrogen content was higher than 0.7%, the hydrogen embrittlement phenomenon resulting from larger internal stress of hydrogenide precipitation reduced the mechanical properties of Ti alloy. Key words:thermohydrogen treatment; α+β phase; Ti6Al4V alloy; grain refinement; mechanical properties

[收稿日期]2016-09-10

[基金项目]武汉理工大学国家级创新创业训练计划基金项目(20161049705014)资助

[通信作者]解璟昊,研究方向为海洋防腐蚀与金属热处理,电话:13026164116,E-mail:13026164116@163.com

[中图分类号]O522+.1

[文献标识码]A

[文章编号]1001-1560(2017)01-0033-03

分享:
文章评论

材料保护杂志微博:

http://weibo.com/clbh

电话:027-83638752

邮箱:bjb@mat-pro.com

期刊查询
  • 查询
联系方式

联系热线

027-85551785

公司电话:027-85551785

客服微信:fmdh518

主办单位:材料保护杂志社 中国表面工程信息网络中心

Insert title here