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钛合金液态气相置氢及其对组织和性能的影响

作　者: 王亮
导　师: 苏彦庆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 钛合金液态置氢氢溶解度氢致脱氧组织高温变形行为
分类号: TG146.23
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

钛合金置氢加工工艺是将氢作为一种临时合金元素,通过改变钛合金的相组成和微观组织,进而达到改善钛合金加工性能的目的。但是以往的置氢技术通常是在合金固态的条件下进行,使钛合金在固态的条件下吸入氢元素。该方法往往应用于一些薄壁件的氢处理,这是由于氢元素在固相中的扩散速度较慢,需要较长时间才能使合金获得所需的氢含量,这就在一定程度上限制了置氢工艺的适用范围。本文针对固态置氢存在的这一问题提出了液态置氢的概念,所谓液态置氢（Melt hydrogenation）,是指在熔化的过程中将氢引入到合金熔体中的一种置氢方法。本论文通过熔炼的方式来实现钛合金的液态置氢,钛合金在氢/氩混合气氛中进行熔炼,被吸收的氢在凝固后保留在合金的内部,我们将这种方法称为气相扩散法液态置氢。该置氢方法可以对较大厚度、尺寸的试样进行置氢处理,比如钛合金铸锭。本文首先进行了液态置氢的热力学研究,利用称量合金试样的质量变化和计算被合金熔体吸收的氢的摩尔分数两种方法对TC4合金内的氢含量进行了计算。并对第二种方法进行了不同角度的验证。在验证的过程中推导出了液态置氢过程中氢在TC4合金熔体中的溶解热约为-38.04kJ/mol。在确定钛合金氢含量的基础上,选择西华特定律,也就是平方根定律为模型,分别建立了关于TC4合金,TC21合金,Ti600合金的氢溶解度与氢分压的关系式。基于这些公式,可以实现通过控制氢分压来控制合金中的氢含量的目的。液态置氢具有较快的吸氢速度,这由于氢在合金熔体中具有较大的扩散系数,并且该扩散系数随着氢分压和温度的增加而增大。液态置氢的氢饱和时间随着氢含量的增加而减少。氢/氩气氛下熔炼对钛合金的脱氧效果得到了探索性的研究。发现该方法对降低钛合金内的氧含量具有较为明显的效果。对一些影响脱氧效果的因素进行了分析讨论,并提出了氢致脱氧的机理:由于氧与氢结合形成水蒸气从合金熔体内部排出导致了合金氧含量的降低。分别分析了氧元素以及氢致脱氧对钛合金的显微组织的影响,发现合金的显微组织随着合金内的氧含量的增加而粗化,经过氢气氛下熔炼脱氧后的合金的组织发生了细化,这在晶界处体现的尤为明显。实验中使用体式镜,光学显微镜和扫描电镜分别研究了液态置氢对钛合金的宏观组织和显微组织的影响。发现液态置氢对合金的宏观组织和显微组织都具有细化作用,这种作用随着氢含量的增加而增强。细化晶粒的原因包括两方面:一是由于氢的加入提高了形核率;另一方面是由于氢促进了枝晶游离的作用。氢元素的加入,使熔体上下表面的温度梯度增大,表现为合金的局部存在一定的定向凝固效果,合金局部会出现排列十分规则的柱状晶。对显微组织的细化是由于氢促进了残余β相的体积分数的增加,这样就会对α板条的长大具有一定的抑制作用,同时氢含量的增加还会促使针状的α′相以及α"马氏体的生成。使用透射电子显微镜分析了钛合金的亚结构。研究发现δ氢化物存在于液态置氢后的TC4合金中,它存在于两条平行的β相之间的α相中,与β相成大约60度角分布。氢化物以两种形态存在于α相中:单个存在以及成对的出现。氢化物的数量随着合金内的氢含量的增加而增加。根据透射电镜的分析,同时考虑实验的具体条件,本文阐述了液态置氢后的TC4合金内的氢化物的形成机制。利用Gleeble热模机对液态置氢后的TC4合金的高温力学性能进行了热模拟。分别研究了温度,应变速率以及氢含量对钛合金的高温流变应力的影响,发现氢含量低于5.31×10^-2 wt.%时会使合金的流变应力有所增加,当合金内的氢含量高于这一数值时,合金的流变应力逐渐下降,并且屈服强度明显低于未置氢的钛合金。并通过TEM下的分析发现氢促进动态回复和动态再结晶的发生,导致了钛合金的高温流变应力的降低。确定液态置氢的TC4合金的最佳氢含量范围为0.1 wt.%左右,气氛中的氢含量为30%左右。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-38
  1.1 课题目的和意义  14-18
  1.2 钛合金置氢技术的国内外研究现状  18-23
    1.2.1 钛合金的置氢技术在国外的发展  18-21
    1.2.2 钛合金的置氢技术在国内的发展  21-23
  1.3 氢在钛及钛合金中的特性及其微观作用机理  23-28
    1.3.1 氢在钛及钛合金中的特性  23-24
    1.3.2 氢致钛合金增塑效应的作用机理  24-25
    1.3.3 钛氢微观作用机理  25-26
    1.3.4 氢致钛合金的切削加工性能的改善及原理  26-28
  1.4 置氢钛合金相图的研究  28-33
    1.4.1 Ti-H系相图  28-29
    1.4.2 Ti-V-H系相图  29-30
    1.4.3 Ti-Al-H系相图  30
    1.4.4 Ti-Al-V-H系相图  30-33
  1.5 置氢钛合金中的氢化物  33-34
  1.6 氢气氛下熔炼对合金内的杂质(O)含量的影响  34-35
  1.7 几种典型钛合金的介绍  35-37
  1.8 本课题的主要研究内容  37-38
第2章液态置氢技术及其分析方法  38-45
  2.1 液态置氢技术  38-41
    2.1.1 液态置氢的试验材料  38-39
    2.1.2 液态置氢的试验设备  39-40
    2.1.3 液态置氢技术的实施  40-41
  2.2 液态置氢的组织观察和成分分析  41-42
    2.2.1 光学显微镜和扫描电镜观察及成分分析  41-42
    2.2.2 透射电镜观察  42
  2.3 热模拟试验及硬度分析  42-43
    2.3.1 Gleeble热模拟机的特性介绍  42
    2.3.2 热模拟实验时试样的处理和工艺参数的确定  42-43
    2.3.3 显微硬度测量  43
  2.4 X射线相结构分析  43
  2.5 除氢试验及设备  43-44
  2.6 氧含量的分析  44
  2.7 试样质量的称量  44-45
第3章液态置氢的热力学和动力学研究  45-68
  3.1 引言  45
  3.2 液态置氢钛合金的热力学研究  45-60
    3.2.1 质量差法确定液态置氢TC4 合金内的氢溶解度  46-50
    3.2.2 摩尔数法确定液态置氢TC4 合金内的氢溶解度  50-52
    3.2.3 对已建立TC4 合金的氢溶解度公式的验证  52-58
    3.2.4 液态置氢TC21 合金的氢溶解度的确定  58-59
    3.2.5 液态置氢Ti600 合金的氢溶解度的确定  59-60
  3.3 液态置氢的动力学分析  60-67
  3.4 本章小结  67-68
第4章液态置氢对钛合金中的氧含量的影响  68-79
  4.1 引言  68
  4.2 液态置氢后钛合金内的氧含量的变化  68-70
    4.2.1 对海绵钛中的氧含量的影响  68
    4.2.2 对TC4 合金中的氧含量的影响  68-70
  4.3 氢致脱氧后的钛合金的组织演化及显微硬度的变化  70-75
    4.3.1 脱氧前后组织的变化  70-75
    4.3.2 显微硬度的变化  75
  4.4 氢致钛合金脱氧的机理  75-78
    4.4.1 非密闭环境的脱氧机理  75-77
    4.4.2 密闭环境的脱氧机理  77-78
  4.5 本章小结  78-79
第5章液态置氢对钛合金的凝固组织的影响  79-102
  5.1 引言  79
  5.2 液态置氢钛合金宏观组织的演化规律  79-84
    5.2.1 TC4 合金的宏观组织  79-81
    5.2.2 TC21 合金的宏观组织  81-82
    5.2.3 Ti600 合金的宏观组织  82-84
  5.3 液态置氢钛合金微观组织的演化规律  84-95
    5.3.1 TC4 合金的微观组织  84-89
    5.3.2 TC21 合金的微观组织  89-91
    5.3.3 Ti600 合金的微观组织  91-95
  5.4 液态置氢钛合金的相变分析  95-100
    5.4.1 TC4 合金的XRD相分析  95-96
    5.4.2 TC4 合金中的β相的TEM分析  96-98
    5.4.3 TC4 合金中的氢化物的TEM分析  98-100
  5.5 本章小结  100-102
第6章液态置氢对钛合金的高温流动行为的影响  102-116
  6.1 引言  102
  6.2 温度对钛合金的高温流动行为的影响  102-105
    6.2.1 温度对TC4 合金的高温流动行为的影响  102-103
    6.2.2 温度对TC4 合金的变形组织影响  103-105
  6.3 应变速率对钛合金的高温流动行为的影响  105-108
    6.3.1 应变速率对TC4 合金的高温流动行为的影响  105-106
    6.3.2 应变速率对TC4 合金的变形组织的影响  106-108
  6.4 氢含量对钛合金的高温流动行为的影响  108-115
    6.4.1 氢含量对TC4 合金的高温流动行为的影响  108-112
    6.4.2 氢含量对TC4 合金的变形组织的影响  112-115
  6.5 本章小结  115-116
结论  116-118
参考文献  118-129
攻读博士学位期间发表的学术论文  129
攻读博士学位期间申请的专利  129-131
致谢  131-132
个人简历  132

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