鈦合金熱氫處理技術(shù)的應(yīng)用

鈦合金熱氫處理技術(shù)的應(yīng)用

氫是一個(gè)令人驚嘆的因素。進(jìn)入金屬后，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。大多數(shù)情況下，氫可以惡化材料的許多性能（如磁性、耐腐蝕性等），導(dǎo)致氫脆。因此,自上世紀(jì)40年代鈦工業(yè)發(fā)展以來(lái),氫一直被視為一種有害的雜質(zhì)元素,認(rèn)為氫在鈦合金中只會(huì)產(chǎn)生不利影響而一直致力于氫脆的研究。然而,在1959年,原西德學(xué)者Zwiecker和Schleicher在鈦合金Ti-8Al,Ti-10Al,Ti-13Al和Ti-8Al-3In鑄錠加入適量的氫,研究其熱壓力加工性能時(shí)發(fā)現(xiàn)合金的熱加工性能得到明顯改善,從而提出了氫增加鈦合金熱塑性的觀點(diǎn),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種觀點(diǎn)。這在當(dāng)時(shí)僅被作為一種例外而被忽視,但Zwiecker和Schleicher已揭開(kāi)了鈦合金中氫作用的新的一頁(yè)。許多學(xué)者在總結(jié)和評(píng)述氫對(duì)鋼鐵材料力學(xué)性能的影響時(shí)指出:氫可以促進(jìn)螺形位錯(cuò)的遷移,并加快位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力的降低。根據(jù)對(duì)氫脆斷口的分析,發(fā)現(xiàn)裂紋前端有一個(gè)相當(dāng)大的塑性變形區(qū),說(shuō)明氫脆在本質(zhì)上是氫致滯后塑性與開(kāi)裂,驗(yàn)證了氫致軟化現(xiàn)象的存在,引發(fā)了人們對(duì)氫致軟化或氫致塑性更深層次的思考。氫作為可逆合金化元素在鈦合金中具有很高的吸附能力和擴(kuò)散遷移能力,對(duì)相變過(guò)程和組織結(jié)構(gòu)的形成有著強(qiáng)烈的影響,保證能實(shí)現(xiàn)可逆合金化而不改變材料的整體狀態(tài)。鈦合金熱氫處理技術(shù),也稱氫處理或氫工藝,是利用氫致塑性、氫致相變以及鈦合金中氫的可逆合金化作用以實(shí)現(xiàn)鈦氫系統(tǒng)最佳組織結(jié)構(gòu)、改善加工性能的一種新體系、新方法和新手段。利用該技術(shù)可以達(dá)到改善鈦合金的加工性能、提高鈦制件的使用性能、降低鈦產(chǎn)品的制造成本、提高鈦合金的加工效率的目的。1鈦合金中氫的存在形式和作用1.1鈦氫系統(tǒng)的氫脆的去除研究表明:氫在鈦及鈦合金中間隙固溶,且溶解度高。在600℃及100kPa壓力下純鈦可溶解的氫達(dá)60%(摩爾分?jǐn)?shù))。如果鈦氫系統(tǒng)中的氫含量超過(guò)合金的固溶度時(shí),則可形成氫化物,主要有面心立方結(jié)構(gòu)的δ氫化物、面心四方結(jié)構(gòu)的ε氫化物和γ氫化物。氫的溶解及其反應(yīng)具有可逆性。通過(guò)真空退火的方法可以將氫從鈦合金中去除,使鈦結(jié)構(gòu)在服役之前的氫含量恢復(fù)到安全水平,保證在服役時(shí)不發(fā)生氫脆。鈦氫系統(tǒng)的吸放氫特點(diǎn)有可能使氫作為臨時(shí)合金化元素在鈦合金中得到應(yīng)用,這正是鈦合金熱氫加工技術(shù)的重要基礎(chǔ)。1.2氫對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響1)氫是β相穩(wěn)定元素,可以有效地降低(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度,相應(yīng)增加了退火和淬火合金中β相數(shù)量。如滲氫后純鈦的β相轉(zhuǎn)變溫度由860℃降至330℃;對(duì)TC4合金,0.5%H可使β相轉(zhuǎn)變溫度由980℃降至805℃。同時(shí)由于氫增加了β相的穩(wěn)定性,降低臨界冷卻速率和馬氏體轉(zhuǎn)變的特征溫度,因此,在較低溫度和較低冷卻速度下淬火可得大量亞穩(wěn)相。2)氫對(duì)鈦合金相變和組織形成的影響與置換元素(V,Mo,Cr,Fe等)作為β相穩(wěn)定劑的結(jié)果相似,0.1%H的β相穩(wěn)定效果與3.3%Nb,1.62%V,1.05%Mo,0.66%Fe和0.64%Cr相當(dāng)。3)氫是鈦的共析反應(yīng)元素,可導(dǎo)致β→α+TiH2共析反應(yīng),可利用這種共析轉(zhuǎn)變細(xì)化粗大鈦合金組織。即使合金中無(wú)或有很少量β穩(wěn)定元素,加入氫也會(huì)出現(xiàn)共析轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變,且在溫度較低時(shí),馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生大量的晶格缺陷,并在隨后冷卻過(guò)程中保留在β相中,因而可將不能熱處理強(qiáng)化的α合金和近α合金轉(zhuǎn)變?yōu)榭蔁崽幚韽?qiáng)化的α+β合金。1.3氫對(duì)原子間結(jié)合能的影響1)壓力理論氫雖以間隙態(tài)存在于點(diǎn)陣中,但在應(yīng)力梯度的作用下會(huì)發(fā)生再分布,富集于靜水壓力較大的區(qū)域,形成氣團(tuán),產(chǎn)生巨大的壓力,并以切變分量附加在外應(yīng)力上,使表觀屈服應(yīng)力下降,大大降低了鈦合金的韌性,產(chǎn)生氫脆性。利用氫脆性,為通過(guò)粉碎大塊材料的途徑生產(chǎn)鈦粉提供了可能。2)弱鍵理論氫進(jìn)入鈦合金后,削弱了金屬原子之間的鍵合作用,降低了結(jié)合能,使金屬局部區(qū)域軟化。彈性模量是表征金屬與合金原子間結(jié)合能高低的參數(shù)之一,表1所列是Ti-6Al-4V在800℃的剪切彈性模量。從表1可見(jiàn),加氫降低了剪切彈性模量,即說(shuō)明降低了原子間的結(jié)合能。3)氫增強(qiáng)了鈦原子的自擴(kuò)散能力和溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力。擴(kuò)散能力的提高主要是由于弱鍵效應(yīng)而引起,弱鍵效應(yīng)減少了溶質(zhì)原子擴(kuò)散所需克服的能壘,表現(xiàn)為由于氫的加入而導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)的提高。表2給出了Al,V在α相和β相中的擴(kuò)散系數(shù)。同時(shí),由于氫在α相和β相中擴(kuò)散系數(shù)相差較大,使得氫在α相和β相的分布不均,導(dǎo)致Al,V等合金元素在α相和β相的擴(kuò)散系數(shù)的變化,使得主要合金元素重新分布。4)氫不僅可以促進(jìn)位錯(cuò)增殖和增加螺形位錯(cuò)的可動(dòng)性,而且可以改變位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)與周圍環(huán)境的互作用。實(shí)驗(yàn)證明:由于氫的擴(kuò)散速度比位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)快得多,氫的加入降低了應(yīng)變能,直接導(dǎo)致位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)力的降低,促進(jìn)了位錯(cuò)增殖;同時(shí)在外力作用下,氫原子將先于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于給位錯(cuò)施加了一個(gè)附加的作用力,增加了螺形位錯(cuò)的可動(dòng)性,也增加了螺形位錯(cuò)雙彎結(jié)構(gòu)的形成率,改變了位錯(cuò)與周圍環(huán)境的相互作用。2鈦合金熱氫處理技術(shù)2.1氫鉻技術(shù)及其改造機(jī)制2.1.1鈦合金熱加工過(guò)程中面臨的問(wèn)題及解決方法鈦合金室溫塑性低,變形極限低,變形抗力大,冷成形容易開(kāi)裂,大大限制了鈦合金的冷態(tài)工藝性;因此,絕大多數(shù)鈦合金必須在熱態(tài)下成形,但熱變形溫度高,流動(dòng)應(yīng)力大,應(yīng)變速率低,特別是對(duì)于那些高強(qiáng)、高韌、高模量、耐高溫的難變形鈦合金,這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,大大地限制了它們的應(yīng)用;此外,由于熱變形溫度高,造成系統(tǒng)或工藝的高溫保護(hù)困難,費(fèi)用高;同時(shí),鈦合金熱加工時(shí)對(duì)模具材料要求高,要求模具能夠在900℃以上的高溫下仍需具有足夠的強(qiáng)度,對(duì)模具選材和制造帶來(lái)了很大的困難,造成加工周期長(zhǎng)、生產(chǎn)費(fèi)用高等一系列問(wèn)題;不僅如此,由于鈦合金的熱變形溫度高和變形抗力大的原因,給成形設(shè)備也提出了更高的要求,使得現(xiàn)有成形設(shè)備加工鈦合金結(jié)構(gòu)件的能力大大降低,為研制新成形設(shè)備提出了更高的要求,增加了設(shè)備研制的費(fèi)用和難度。為解決鈦合金塑性加工過(guò)程所面臨的問(wèn)題,其途徑有二:一是增加現(xiàn)有設(shè)備的能力,研制更大噸位的成形設(shè)備;二是降低鈦合金變形抗力和成形溫度。熱氫技術(shù)可以從材料內(nèi)部本質(zhì)角度出發(fā),通過(guò)獲得一種具有高剩余塑性的熱穩(wěn)定性高的雙峰組織結(jié)構(gòu),達(dá)到降低變形抗力和成形溫度的目的。研究表明:鈦合金中加入適量的氫不僅可以顯著改善軋制、鍛造、熱壓和超塑性等熱塑性加工性能,使其流動(dòng)應(yīng)力降低約15%~35%,變形溫度降低約50~150℃,而且可以提高冷塑性變形的變形極限。氫致超塑性、氫致高溫增塑和氫致室溫增塑是氫增塑技術(shù)中既有聯(lián)系、又有區(qū)別的3種現(xiàn)象,每一種現(xiàn)象都有各自的、不同于其它2種現(xiàn)象的屬性,應(yīng)予以區(qū)分并分別論述。2.1.2氫對(duì)ti-84l-4v的影響超塑性是眾多材料在特定的變形條件下表現(xiàn)出來(lái)的一種流變特性。它具有應(yīng)變速率敏感性高、流變應(yīng)力低以及延展性極好的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明:鈦合金滲氫可以顯著降低超塑成形溫度和流變應(yīng)力,提高應(yīng)變速率。Lederich等人利用帽錐試驗(yàn)研究了氫對(duì)Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Ti-6242)的超塑性流變性能的影響,試樣滲氫溫度650~760℃、氫分壓控制在400~4000Pa,保溫2h。圖1~3所示分別為在860,800和760℃的試驗(yàn)溫度下,Ti-6Al-4V在不同氫含量時(shí)應(yīng)變速率與時(shí)間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明:860℃時(shí),氫含量小于0.38%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),與原始板試樣相比,滲氫試樣可以在較高的速率下成形;氫含量大于0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),滲氫試樣則必須在較低的速率下成形;800℃時(shí),氫含量小于0.68%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),滲氫試樣可以在比原始板試樣較高的速率下成形;760℃時(shí),氫含量在0.11%~0.49%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi),滲氫試樣均可以在比原始板試樣較高的速率下成形。圖4~6所示分別為在900,830和800℃的試驗(yàn)溫度下,Ti-6242在不同氫含量時(shí)應(yīng)變速率與時(shí)間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明:氫對(duì)Ti-6242超塑性流變性能的改善比對(duì)Ti-6Al-4V更為強(qiáng)烈。此外,Lederich等人還對(duì)Ti,Ti-5Al-2.5Sn,Ti-8Al-1Mo-1V合金滲氫試樣進(jìn)行了帽錐試驗(yàn),氫可使超塑性成形溫度降低,并提高模具壽命。俄羅斯的學(xué)者還研究了不同氫含量對(duì)各種鈦合金的屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率的影響,說(shuō)明了在廣泛的應(yīng)變速率范圍內(nèi)氫降低流變應(yīng)力的有效性,并且指出滲氫可以增大應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值:如800℃時(shí),純鈦的為0.37,BT20合金的為0.48,含Ti3Al相的CT4合金的為0.36;1000℃時(shí),未滲氫時(shí)CT4合金的僅為0.22,滲氫后達(dá)到0.46。林天輝等人對(duì)Ti-6Al-4V合金的超塑拉伸研究表明:對(duì)于α+β兩相合金,存在一個(gè)變形抗力低而超塑性好的氫含量范圍,峰值流動(dòng)應(yīng)力可降低50%,超塑性延伸率可提高10%(800℃)。對(duì)Ti-6Al-4V,加入0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右的氫以形成40%左右的β相,超塑性效果最佳,即使氫含量達(dá)到0.8%時(shí),試樣的延伸率和流變應(yīng)力峰值的綜合水平也不低于未充氫試樣。表3所列是Ti-6Al-4V在最佳氫含量下的流動(dòng)應(yīng)力和延伸率的變化情況。趙林若也對(duì)Ti-6Al-4V的超塑性流變性能進(jìn)行了研究,并指出:在給定溫度的超塑性變形條件下,氫含量小于0.17%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)可同時(shí)起到降低流變應(yīng)力和增加m值的作用;如果維持α和β兩相比例不變,即保持流變應(yīng)力不變,未滲氫試樣的超塑溫度為900℃,而滲氫0.17%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))試樣的超塑溫度為785℃,二者相差115℃,說(shuō)明滲氫使合金的超塑變形溫度降低了100℃以上,同時(shí)流變溫度可隨氫含量的增加而降低;氫含量小于0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))亦可同時(shí)降低變形溫度、增大m值,但流動(dòng)應(yīng)力略有提高,說(shuō)明鈦合金加氫可以起到改善超塑性的作用。宮波等人在研究氫對(duì)鈦合金的組織轉(zhuǎn)變影響的同時(shí),研究了氫作為合金化元素(0.07%~0.38%)在1073~1223K對(duì)Ti-6Al-4V流變應(yīng)力、應(yīng)變速率敏感性指數(shù)、延伸率及變形激活能等超塑成形參數(shù)的影響。結(jié)果表明氫對(duì)鈦合金的超塑性性能具有雙重的影響:一方面,氫使合金的流動(dòng)應(yīng)力降低,或超塑變形溫度降低;另一方面,氫使合金的最佳應(yīng)變速率敏感性指數(shù)和延伸率下降,形變激活能升高,只有適當(dāng)?shù)乜刂茪浜亢妥冃螚l件才能發(fā)揮氫的積極作用。表4所列是氫對(duì)Ti-6Al-4V合金超塑變形激活能的影響。丁樺等人則對(duì)Ti3Al基合金超塑變形進(jìn)行了研究。圖7所示是原始試樣與滲氫試樣的lgσ—lgε˙lgσ—lgε˙曲線;圖8所示是合金應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m與變形溫度的關(guān)系曲線。結(jié)果表明:氫使合金的超塑性變形流變應(yīng)力降低,最大m值在較低的溫度下獲得,變形過(guò)程的激活能下降。高文等人在研究TC11超塑性時(shí)發(fā)現(xiàn):850℃且氫含量小于0.18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi),隨著氫含量的增加,流變應(yīng)力下降的幅度較大,0.18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的滲氫試樣的流變應(yīng)力僅為原始試樣的流變應(yīng)力的一半以下;當(dāng)氫含量超過(guò)0.18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),隨著氫含量的上升,一方面β相比例增加而流變應(yīng)力下降,另一方面合金進(jìn)入或接近β相區(qū)而導(dǎo)致β相晶粒迅速長(zhǎng)大,造成流變應(yīng)力回升,更多的氫含量不利于超塑性。氫對(duì)鈦合金超塑性能的影響主要取決于氫對(duì)動(dòng)態(tài)強(qiáng)化和動(dòng)態(tài)軟化過(guò)程的影響,只有在α和β相的動(dòng)態(tài)等強(qiáng)度情況下,兩相在應(yīng)力作用下的增塑過(guò)程對(duì)總體變形的作用大致相同,氫對(duì)鈦合金超塑性性能的改善最為明顯?，F(xiàn)代超塑性微觀理論強(qiáng)調(diào)晶界滑動(dòng)是超塑性變形的主要方式,擴(kuò)散和晶內(nèi)及晶界的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是晶界滑動(dòng)的兩種主要協(xié)調(diào)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明鈦合金超塑性流變的微觀機(jī)制是:1)流變性較好的β相變形在應(yīng)變速率較低時(shí)以擴(kuò)散蠕變?yōu)橹?而在應(yīng)變速率較高時(shí)以位錯(cuò)蠕變?yōu)橹?蠕變的結(jié)果改變了晶粒形狀;2)α相的變形是以α/α晶界滑動(dòng)為主,通常是由擴(kuò)散和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)共同協(xié)調(diào),晶界滑動(dòng)變形使晶粒保持等軸態(tài);3)α與β兩相間的流變協(xié)調(diào)主要是由α與β相界遷移來(lái)完成。由此可見(jiàn):擴(kuò)散和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在超塑性流變中起主要作用。因此,鈦合金加氫改善超塑性的主要原因?yàn)?1)氫使合金元素?cái)U(kuò)散能力的提高直接導(dǎo)致增強(qiáng)了超塑變形時(shí)β相擴(kuò)散蠕變作用和α/α晶界滑動(dòng)的擴(kuò)散協(xié)調(diào)作用;2)氫的擴(kuò)散激活了釘扎中的位錯(cuò),促進(jìn)了位錯(cuò)的攀移和滑動(dòng),改善了β相的流變能力,有利于α/α晶界滑動(dòng)所要求的位錯(cuò)協(xié)調(diào)作用;3)氫致弱健效應(yīng)減小了擴(kuò)散激活能,增強(qiáng)了原子的擴(kuò)散能力,改善了超塑性的流變能力;4)氫使β轉(zhuǎn)變溫度下降,β相數(shù)量增加,直接導(dǎo)致流變應(yīng)力降低和塑性的提高,同時(shí)依據(jù)最佳超塑性溫度與β轉(zhuǎn)變溫度之比約為0.9的條件,最佳超塑性成形溫度亦相應(yīng)下降。2.1.3氫對(duì)應(yīng)力的影響氫對(duì)鈦合金高溫塑性的影響主要表現(xiàn)為:1)流變應(yīng)力較低;2)高溫拉伸塑性性能提高;3)高溫鐓粗出現(xiàn)第一個(gè)裂紋前的變形極限提高。高溫增塑是最早受到關(guān)注并得到廣泛而深入研究的熱氫處理技術(shù)方向,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此給予了高度重視。早在上世紀(jì)70年代,前蘇聯(lián)學(xué)者就致力于這方面的研究工作,一系列的研究表明[4,26,27,28,29,30,31]:鈦合金加氫可使合金的熱壓力加工性能得到改善,表現(xiàn)為熱變形流動(dòng)應(yīng)力的降低和塑性的提高,使熱變形更容易在較低溫度下實(shí)現(xiàn)軋制、熱鍛等工序;氫增塑效應(yīng)對(duì)高鋁含量的熱強(qiáng)鈦合金及Ti3Al合金的作用特別明顯,對(duì)近α和α+β合金也是適用的,但對(duì)近β合金幾乎沒(méi)有作用。Kolachov對(duì)Ti3Al基的CT5合金研究發(fā)現(xiàn):雖在1050~1250℃的β區(qū)溫度范圍內(nèi)變形也很困難,但加入0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氫后,甚至在900℃下變形達(dá)80%也不產(chǎn)生裂紋,塑性提高伴隨有屈服強(qiáng)度的降低,其滲氫試樣的壓縮流變應(yīng)力僅為未滲氫試樣流變應(yīng)力的1/3。鑄態(tài)的以Ti3Al(α2)為強(qiáng)化相的耐熱鈦合金Ti-9Al-1Mo-3Zr-4Sn的等溫鐓鍛試驗(yàn)表明:滲氫合金的最大變形量可以達(dá)到60%,并可以有效地降低合金的變形抗力,σ0.2分別從950℃和900℃的200MPa和320MPa降低到50~60MPa和120~140MPa,且氫對(duì)合金變形抗力下降的影響程度隨溫度的上升而降低。Ti-5Zr-9Al-5Sn-2Mo合金鐓鍛試驗(yàn)表明:氫含量0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的試樣在800℃的鍛造流變應(yīng)力比未滲氫試樣下降50%左右。BT16合金鐓粗試驗(yàn)表明:在600~850℃試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),加入0.2~0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氫,屈服應(yīng)力降低1/3~1/2。BT6高溫拉伸試驗(yàn)表明:800℃時(shí)置入0.3%氫的試樣的流變應(yīng)力比未滲氫試樣的流變應(yīng)力低一半,延伸率由50%提高到105%。Kerr等人對(duì)滲氫Ti-6Al-4V合金進(jìn)行了等溫鍛造試驗(yàn)研究,圖9和10所示分別是不同氫含量合金在760和820℃時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線,圖11所示是合金在不同溫度下氫含量對(duì)峰值流動(dòng)應(yīng)力的影響曲線。圖9,10和11表明:合金的流動(dòng)應(yīng)力隨著氫含量的增加而減小,當(dāng)氫含量達(dá)到0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),其流變應(yīng)力為最低,約為未滲氫合金流變應(yīng)力的70%;之后,隨著氫含量的增加,流變應(yīng)力反而增加,這主要是因?yàn)闅浠颰iH2的析出而致。Birla等人在Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金中加入0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氫,730℃時(shí)的鍛造流變應(yīng)力比未加氫時(shí),降低30%~35%。張勇等人對(duì)Ti3Al基Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo鑄態(tài)和鍛態(tài)合金進(jìn)行熱壓縮行為研究時(shí)發(fā)現(xiàn):氫可以顯著降低熱壓縮的峰值流變應(yīng)力,在900~1000℃范圍內(nèi),鑄態(tài)的0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H滲氫試樣的峰值流變應(yīng)力比未滲氫試樣的流變應(yīng)力降低了37%~53%,鍛態(tài)的0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H滲氫試樣的峰值流變應(yīng)力比未滲氫試樣的降低了27%~31%,從流動(dòng)應(yīng)力的角度出發(fā),0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H可使合金的熱壓縮溫度降低50℃,應(yīng)變速率提高一個(gè)數(shù)量級(jí);等溫壓縮時(shí),氫含量增加所產(chǎn)生的組織變化相當(dāng)于在更高溫度壓縮所產(chǎn)生的組織變化,隨熱壓溫度的提高,Ti3Al相由部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)展到完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,Ti3Al相的體積分?jǐn)?shù)下降,當(dāng)氫含量達(dá)到0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),溫度達(dá)到1000℃,變形時(shí)顯示出β相區(qū)變形特征。鈦合金氫致熱塑性效應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)中具有顯著的效果和意義,可以降低等溫變形溫度50~150℃,流變應(yīng)力下降30%以上,可以采用工藝性更好的模具材料替代現(xiàn)有模具材料,提高模具壽命和金屬利用系數(shù)。目前,一般認(rèn)為氫致高溫增塑的機(jī)制是:1)氫使β轉(zhuǎn)變溫度下降,β相體積分?jǐn)?shù)增加,而β相具有較多的滑移系,在高溫下易于變形,具有增塑和降低流變應(yīng)力的作用;2)氫不僅能誘發(fā)新的滑移系,而且促進(jìn)位錯(cuò)增殖和增加位錯(cuò)的可動(dòng)性,使更多的位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)并參與滑移,甚至攀移,有利于塑性變形過(guò)程的進(jìn)行;3)氫致弱健效應(yīng)導(dǎo)致的原子結(jié)合力的下降以及氫加快合金元素?cái)U(kuò)散對(duì)高溫塑性也有一定的促進(jìn)作用;4)氫可以增強(qiáng)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶效應(yīng),有利于提高塑性和降低變形抗力。2.1.4氫對(duì)偏氫合金力學(xué)性能和拉伸性能的影響氫對(duì)室溫塑性影響的顯著效應(yīng)是提高初始裂紋出現(xiàn)前的極限變形率。Tsiolkovky首次在淬火后的BT15和BT30β型鈦合金中觀察到低溫氫增塑現(xiàn)象;原始試樣初始裂紋出現(xiàn)前的鐓粗極限變形約為60%,當(dāng)試樣氫含量達(dá)到0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),鐓粗壓扁至鋒利邊緣的薄餅,在其側(cè)面也未出現(xiàn)任何裂紋,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)降低。俄羅斯的標(biāo)準(zhǔn)件科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體公司利用低溫氫增塑工藝生產(chǎn)出了優(yōu)質(zhì)的BT30合金托板螺母,不僅如此,俄羅斯學(xué)者在淬火后α+β鈦合金中也觀察到低溫增塑現(xiàn)象。Ilyin等人研究了室溫下氫對(duì)BT22和Ti-10-2-3合金的微觀結(jié)構(gòu)和變形機(jī)制的影響。氫化合金在β相淬火,獲得不穩(wěn)定β相和馬氏體相α″,隨著氫含量的增加,馬氏體相α″減少,β相數(shù)量增加。壓縮試驗(yàn)表明:氫強(qiáng)烈抑制變形過(guò)程β→α″轉(zhuǎn)變,合金中加入0.3%~0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氫,其壓縮和軋制的一次最大變形量可達(dá)到80%,表5所列是BT22和Ti-10-2-3合金淬火后不同壓縮變形程度的相組成。軋制試驗(yàn)表明:室溫下分別采用10mm的厚板和2.2mm薄板,BT22和Ti-10-2-3合金分別滲入0.2%和0.36%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氫,以每道次20%的變形量,無(wú)需中間退火,可以連續(xù)軋制出厚0.1~0.2mm的箔材,而未滲氫合金的變形程度僅能達(dá)到50%,且滲氫合金變形后呈β等軸晶粒,而未滲氫合金變形后幾乎無(wú)變化,滲氫合金軋制板的主織構(gòu)分量為{100}〈110〉,未滲氫的主織構(gòu)分量為{111}〈110〉。變形后熱處理試驗(yàn)表明:變形態(tài)合金結(jié)構(gòu)不僅發(fā)生多邊化和再結(jié)晶,而且根據(jù)環(huán)境氣氛的不同而發(fā)生β相分解;大氣條件下β相不發(fā)生變化,根據(jù)其溫度的不同形成再結(jié)晶組織或多邊化組織或保持變形態(tài)組織,而真空條件下由于大量氫的溢出而使β相分解,析出α相并阻礙再結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行。因此,通過(guò)選擇不同的熱處理制度可獲得單相β再結(jié)晶組織并具有較高塑性和良好沖壓性能的板材。表6所列是Ti-10-2-3板材的力學(xué)性能。此外,Ilyin等人還對(duì)BT5,BT6,BT16和BT35滲氫合金的室溫塑性進(jìn)行了深入研究,其規(guī)律與BT22和Ti-10-2-3基本相同。宮波等人對(duì)氫處理后α+β合金的室溫拉伸性能進(jìn)行了研究,Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Fe合金在β轉(zhuǎn)變溫度以下0~40K的溫度范圍內(nèi)滲氫,冷卻至室溫并真空除氫,其屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和延伸率分別提高了8%~15%,5%~13%和7%~14%。根據(jù)低溫增塑效應(yīng),俄羅斯已將BT16合金大直徑螺栓生產(chǎn)由熱鐓改為冷鐓,現(xiàn)有的冷鐓設(shè)備在鈦合金未加氫處理時(shí)僅能穩(wěn)定地生產(chǎn)M6和M8的螺栓,大直徑螺栓必須在800~850℃熱鐓成形,加氫處理后可以穩(wěn)定地冷鐓生產(chǎn)M8至M16的螺栓,生產(chǎn)率可以提高10~12倍。一般認(rèn)為,氫對(duì)鈦合金室溫增塑效應(yīng)的作用機(jī)理是:1)由于氫是β相穩(wěn)定元素,因而可以降低β相轉(zhuǎn)變溫度,增加塑性β相數(shù)量,使β相穩(wěn)定到更低的溫度,同時(shí)導(dǎo)致β相內(nèi)合金元素的減少,β相依靠合金固溶強(qiáng)化的效果下降,使位錯(cuò)滑移阻力降低,表7所列是室溫下氫對(duì)α+β合金β相數(shù)量的影響;2)氫增大了β相的力學(xué)穩(wěn)定性,可以抑制或完全消除淬火時(shí)的脆性相Ti3Al的析出,阻止變形時(shí)的馬氏體轉(zhuǎn)變;3)氫可以使位錯(cuò)滑移阻力降低,位錯(cuò)遷移率增加,位錯(cuò)數(shù)量增加,并能引發(fā)更多的滑移系和雙晶系。2.2氫對(duì)鈦合金的影響鈦合金擴(kuò)散加工是在加熱加壓條件下,利用被連接表面微塑性變形和原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)固結(jié)與連接的工藝,主要有擴(kuò)散焊接、超塑性成形擴(kuò)散連接和粉末固結(jié)加工。鈦合金擴(kuò)散加工溫度相對(duì)較高,擴(kuò)散加工壓力大、時(shí)間長(zhǎng)、效率低。俄羅斯學(xué)者研究表明:利用加氫加強(qiáng)附著和增塑作用,鈦合金中加入適量的氫可以在比常規(guī)擴(kuò)散連接工藝(包括超塑成形擴(kuò)散連接和擴(kuò)散焊接)低得多的溫度(50~150℃)條件下獲得高質(zhì)量的擴(kuò)散接頭;若在常規(guī)擴(kuò)散連接溫度下,滲氫毛坯的擴(kuò)散連接單位壓力降低30%~70%,同時(shí)還可縮短過(guò)程時(shí)間,提高效率。如對(duì)BT6合金的滲氫后擴(kuò)散焊接性能的研究表明:擴(kuò)散焊接溫度從900~950℃降低到850~870℃,壓力從10MPa降低到1.5~5MPa,對(duì)BT1-0,BT3-1和OT4的滲氫擴(kuò)散焊接也獲得了類似的結(jié)果。此外。作者在研究TC4合金滲氫工藝時(shí)偶然發(fā)現(xiàn):試樣自然直立放置,850℃真空滲氫,取出后兩試樣焊合在一起,并且必須經(jīng)機(jī)械破壞才能分離,說(shuō)明氫顯著增強(qiáng)了鈦合金的擴(kuò)散能力和粘合性。鈦合金滲氫不僅有利于擴(kuò)散連接工藝本身,而且有利于擴(kuò)散連接工模具的加工制造。常規(guī)擴(kuò)散連接模具必須采用耐高溫的鎳基高溫合金制造模具,其加工制造困難,費(fèi)用高;由于滲氫擴(kuò)散連接溫度和壓力的降低,因而可以采用易于加工制造的鎳鉻合金制造。粉末冶金技術(shù)能夠消除制件結(jié)構(gòu)內(nèi)部宏觀偏析,使制件結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織均勻、晶粒彌散細(xì)小并易于控制、沒(méi)有各向異性,具有節(jié)約材料費(fèi)用和生產(chǎn)成本低的特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于金屬間化合物、復(fù)合材料、納米材料和各種功能材料的制備與加工。然而,由于鈦合金高溫下流動(dòng)應(yīng)力高、原子擴(kuò)散能力低等原因,鈦合金粉末固結(jié)過(guò)程還存在一些問(wèn)題,主要是固結(jié)溫度高、壓力大和時(shí)間長(zhǎng),造成固結(jié)效率低下、費(fèi)用高等問(wèn)題。俄美等國(guó)的學(xué)者研究表明,鈦合金粉末加氫固結(jié)可以降低固結(jié)溫度和壓力,縮短過(guò)程時(shí)間,不僅改善了鈦粉固結(jié)工藝,而且制件性能也有相應(yīng)提高。表8給出了不同固結(jié)工藝條件Ti-6Al-4V的力學(xué)性能和孔隙率。Yolton等人的早期研究工作表明:氫化的鈦粉在熱等靜壓(HIP)過(guò)程中,氫無(wú)明顯損失,真空除氫后可得到等軸細(xì)化的顯微組織。Kolachov等人指出:由于加氫鈦合金粉末粘著能力和塑性的增強(qiáng),鈦粉可在標(biāo)準(zhǔn)工藝的固結(jié)壓力,在比標(biāo)準(zhǔn)工藝低100~150℃的溫度下,或以標(biāo)準(zhǔn)工藝的固結(jié)溫度,以標(biāo)準(zhǔn)工藝的50%~70%固結(jié)壓力獲得高質(zhì)量的制件,并縮短了過(guò)程時(shí)間。Apgar等人則對(duì)Ti-24Al-11Nb預(yù)合金粉末在6GPa氫分壓下加氫處理,然后進(jìn)行熱等靜壓試驗(yàn)。由于氫的加入,使熱等靜壓溫度降低100K,在923~1143K真空除氫后可獲得微米級(jí)的細(xì)晶組織,其晶粒比快速凝固的粉末粒子更為細(xì)小。Greenspan等人指出:鈦粉加氫固結(jié)可以降低鈦粉固結(jié)溫度和固結(jié)壓力。表9所列是滲氫鈦粉與普通鈦粉真空熱壓孔隙率對(duì)照表。若以孔隙率為評(píng)價(jià)指標(biāo),其固結(jié)溫度下降了150℃。因而可以利用這種效應(yīng)降低纖維或顆粒增強(qiáng)鈦粉復(fù)合材料的制備溫度,減小鈦粉基體的流變應(yīng)力,達(dá)到減少基體與增強(qiáng)物之間的界面反應(yīng)的目的,提高鈦基復(fù)合材料的性能。氫改善鈦合金擴(kuò)散加工的主要機(jī)制為:1)氫導(dǎo)致鈦合金熱變形流動(dòng)應(yīng)力的下降,熱塑性的增加,從而使?jié)B氫鈦合金在高溫下易于變形;2)氫在鈦中的自擴(kuò)散和溶質(zhì)擴(kuò)散能力較高,特別是在β相內(nèi)的擴(kuò)散能力更高,因而氫可以加速合金元素的擴(kuò)散,降低原子結(jié)合能,減小擴(kuò)散激活能,提高擴(kuò)散協(xié)調(diào)變形能力;3)由于氫的擴(kuò)散解析作用而在鈦中形成許多均勻分布的空位,增大了鈦的表面活性,降低了燒結(jié)過(guò)程自由能,強(qiáng)化了燒結(jié)過(guò)程。2.3氫對(duì)鈦合金切削力的影響鈦合金的切削加工性較差,切削效率低,僅為鋁合金加工效率的15%,且尺寸控制難、刀具壽命短。其主要原因如下:1)鈦合金的屈強(qiáng)比高,導(dǎo)熱性差,密度小,比熱容小,致使切削區(qū)溫度升高,刀具磨損加劇;2)鈦合金與刀具材料的親和性強(qiáng),易于粘附于刀具,導(dǎo)致刀具的粘結(jié)和擴(kuò)散磨損嚴(yán)重;3)鈦合金的化學(xué)活性大,導(dǎo)致切屑在空氣中氫、氧和氮的作用下,形成硬脆的化合物,切削力和切削熱增加,且集中在刀刃附近,容易引起崩刃;4)鈦合金材料的彈性模量很小(E=112.5~113GPa),約是鋼的一半,這種特點(diǎn)造成工件在加工中的回彈變形,同時(shí)也造成刀具后刀面磨損嚴(yán)重。俄羅斯學(xué)者的研究表明:鈦合金中加入適量的氫可以顯著改善其切削加工性能,可以降低切削區(qū)溫度50~150℃,降低切削力66%~78%,改善切屑的形狀,使帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)閿嘈?提高刀具壽命和加工效率,刀具壽命可提高2~10倍。莫斯科國(guó)立航空技術(shù)大學(xué)的Kolachev等人對(duì)α鈦合金B(yǎng)T1-0和BT5-1,近α鈦合金B(yǎng)T25和BT20,α+β鈦合金B(yǎng)T3-1,BT6和BT8的研究表明:氫對(duì)改善鈦合金切削性能有良好的作用。如BT1-0鈦合金加入0.3%~0.6%的氫,以40~60m/min的切削速度加工,切削區(qū)溫度降低100~150℃,切削力從380~330N降低到230~200N,刀具壽命提高3倍;BT5-1加氫后,其切削區(qū)溫度變化不明顯;氫含量小于0.2%時(shí),切削力略有增加,隨后切削力逐漸降低,當(dāng)氫含量達(dá)到0.5%時(shí),切削力最小,此時(shí)的刀具壽命提高10倍;BT25的氫含量為0.6~0.7%,其切削力最小,氫含量在0.15%~0.2%和0.7%~0.75%范圍,其刀具壽命最高;BT6合金加入0.3%~0.4%的氫,具有良好的切削性能,切削區(qū)溫度降低50~70℃,切削力降低70%,且刀具壽命最高;BT3-1鈦合金中加入0.3%的氫,在0.14mm/min進(jìn)給量和0.5mm切削深度條件下,切削區(qū)溫度從700~850℃降低到500~550℃,降低了150~200℃,切削力從400MPa減小到200MPa?？梢?jiàn),鈦合金加入適量的氫可以顯著改善切削加工性能。Kolachev等人同時(shí)還指出:1)氫對(duì)鈦合金切削性能的有益影響存在一個(gè)最佳的氫含量范圍。若以切刀磨損1μm加工的表面積描述刀具的磨損,即比單位壽命τs,圖12給出了800℃滲氫時(shí)比單位壽命τs與鈦合金中氫含量的關(guān)系。圖13所示則是在60m/min的切削速度、0.2mm/r的進(jìn)給量和1mm的切削深度的條件下,BT3-1合金800℃滲氫,采用BK8車刀加工不同氫含量合金時(shí),刀具背部磨損h隨時(shí)間的變化曲線。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)BT5-1氫含量在0.45%~0.6%,BT20氫含量在0.2%~0.3%,BT8氫含量在0.65%~0.7%,BT3-1氫含量在0.3%~0.5%,BT25氫含量在0.15%~0.2%和0.6%~0.65%范圍內(nèi),其刀具壽命最長(zhǎng)。2)滲氫溫度對(duì)鈦合金切削性能的影響很大。圖14所示是刀具比單位壽命與滲氫溫度間的關(guān)系曲線。可以發(fā)現(xiàn),隨滲氫溫度的升高,刀具比單位壽命降低。在750℃滲氫后,刀具比單位壽命比初始的提高了幾倍,其主要原因是合金滲氫后內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由片層狀和球狀α組成,隨滲氫溫度的升高,α片層增厚,球狀α相增加,硬度增加,可切削性能下降。3)鈦合金滲氫后,刀具磨損特點(diǎn)發(fā)生了變化。切削未滲氫毛坯時(shí),刀具的前端面和后端面均存在磨損,在刀尖上形成整體倒角;切削滲氫毛坯時(shí),刀具的后端面僅有局部粘著磨損,刀具徑向基本沒(méi)有磨損。4)為獲得氫改善鈦合金切削加工性的最佳效果,每一種鈦合金不僅存在一個(gè)合理的氫含量,而且其切削參數(shù)也有一個(gè)合理范圍。如采用BK8刀具切削800℃滲氫0.3%的BT3-1鈦合金時(shí),在40m/min的切削速度、0.2mm/r進(jìn)給率和1mm的切削深度條件下,刀具壽命提高了9倍。隨著切削速度的增加,刀具壽命差異減小。當(dāng)切削速度達(dá)到80m/min時(shí),切削滲氫毛坯的刀具壽命為18min,而切削未滲氫毛坯的刀具壽命為5min。隨著切削速度、進(jìn)給量和切削深度的增加,刀具壽命間的差異逐漸消失。一方面這是隨著切削量的增加,切削區(qū)溫度增加,刀具的擴(kuò)散磨損加劇;另一方面,切削區(qū)溫度達(dá)到700~800℃以上,塑性化開(kāi)始發(fā)展,合金的力學(xué)性能發(fā)生相應(yīng)變化。切削區(qū)溫度超過(guò)1000~1100℃時(shí),氫對(duì)切削性能的有益影響基本消失。圖15所示為切削BT5-1合金刀具磨損隨切削速度的變化曲線。5)隨著氫含量的增加,切屑的脆性增加,特別是α鈦合金的切屑呈碎屑狀。研究表明,氫改善鈦合金切削加工性能的主要機(jī)理為:1)氫合金化導(dǎo)致各種相比例與結(jié)構(gòu)的變化。滲氫可導(dǎo)致α和近α鈦合金析出氫化物,使合金脆性增加,切屑易于去除,可切削性增加;對(duì)于近α和α+β鈦合金,隨著氫含量的增加,β相數(shù)量增加,超出其固溶極限時(shí)會(huì)析出氫化物,氫含量很高時(shí)會(huì)形成近β結(jié)構(gòu),這時(shí)合金的切削性能因β相數(shù)量的增加,導(dǎo)致合金塑性增加和與刀具的親和性增強(qiáng),可切削性降低。2)氫合金化可使鈦合金晶粒細(xì)化,且這種結(jié)構(gòu)具有良好的可切削加工性。當(dāng)滲氫溫度從750℃提高850℃時(shí),由于晶粒長(zhǎng)大和β相數(shù)量的增加而致使可切削性降低。3)氫合金化導(dǎo)致與鈦合金切削加工性相關(guān)力學(xué)性能的變化。由于氫致相變和晶粒細(xì)化的原因,引起合金沖擊韌性和流變應(yīng)力降低,導(dǎo)致切削區(qū)溫度下降,切削性能提高。4)氫合金化引起鈦合金熱物理性能變化。鈦合金滲氫后,其熱傳導(dǎo)性得以提高,改善了切削區(qū)的散熱條件,提高了刀具壽命。5)氫合金化導(dǎo)致鈦合金與刀具磨損特性的變化。2.4變質(zhì)方法工藝鈦合金鑄態(tài)組織一般為粗大的等軸或片層晶,其合金的力學(xué)性能較差,特別是低周疲勞壽命和斷裂韌性較低,嚴(yán)重制約了鑄造鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展。為達(dá)到細(xì)化組織,改進(jìn)力學(xué)性能的目的,通常采用鍛、軋等加工方法對(duì)其進(jìn)行破碎。通過(guò)利用一種無(wú)液相轉(zhuǎn)變的氫處理工藝,控制α相在含氫β相分解中的生長(zhǎng)過(guò)程,或通過(guò)熱循環(huán)的氫相硬化,可以細(xì)化鑄造鈦合金粗大的鑄態(tài)組織,從而提高合金的拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性,該法工藝簡(jiǎn)單,效果明顯,已成為提高鈦合金工藝性能的一種新型加工方法。美國(guó)的Kerr在1980年首次報(bào)道采用氫處理達(dá)到細(xì)化Ti-6Al-4V組織的目的,使鑄造鈦合金的疲勞壽命提高到變形合金達(dá)到的壽命水平。Levin的研究也表明:鑄態(tài)Ti-6Al-4V經(jīng)氫處理后,改善了組織并提高了其疲勞壽命。Ilyin和Kolachov對(duì)BT5和BT20合金鑄錠氫處理后,粗大鑄態(tài)組織得以明顯細(xì)化,其抗拉強(qiáng)度分別為15%~19%和10%~11%,同時(shí)BT5的合金塑性和沖擊韌性都有所提高。但氫處理不能有效地降低鑄造缺陷,只有通過(guò)與熱等靜壓相結(jié)合的方法,達(dá)到消除氣孔的目的,使性能進(jìn)一步提高(見(jiàn)表10)。Kolachov等對(duì)α2基的Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo合金鑄件的研究表明:原始組織由魏氏體和α2組成,α2相界上有少量B2相,針狀α2內(nèi)有少量O相,在980℃充氫0.3%(摩爾分?jǐn)?shù)),隨后在650℃真空除氫48h,雖然組織形貌沒(méi)有改變,但B2和O相體積分?jǐn)?shù)增加了,組織也有改善;采用這種方法可以將變形鈦合金的晶粒細(xì)化到1~2μm,提高了合金的強(qiáng)度,并具有滿意的塑性;同時(shí)指出,適合于氫處理變質(zhì)的鈦合金有α鈦合金、α+β鈦合金、亞穩(wěn)β或近β鈦合金、近α高溫高強(qiáng)鈦合金和高溫高強(qiáng)α2鈦合金。潘峰、張少卿、徐振聲等人也曾對(duì)鑄件加氫變質(zhì)加工進(jìn)行了研究[47,48,49,50,51,52],通過(guò)對(duì)Ti-6Al-4V加氫變質(zhì)處理即滲氫+共析處理+真空除氫的研究發(fā)現(xiàn):滲氫后組織形態(tài)基本上為魏氏體,主要由α和片層狀TiH2組成,并有少量β相存在,固溶時(shí)α和片層狀TiH2轉(zhuǎn)化為β相,共析處理后轉(zhuǎn)變?yōu)棣?TiH2組織及少量的β相,真空除氫時(shí),共析組織α+TiH2脫氫變?yōu)榈容S細(xì)小的α組織,少量的β相脫氫變?yōu)闊o(wú)氫的β相,并趨于球化,從而使鑄態(tài)魏氏組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容Sα+β組織;若氫處理工藝不當(dāng)還會(huì)析出Ti3Al相,導(dǎo)致材料變脆,性能降低;變質(zhì)處理后鑄件不僅常規(guī)力學(xué)性能得以提高,而且其低周疲勞壽命和斷裂韌性也大大提高,如圖16,17所示,斷裂韌性KⅠC由73MPa·m1/2提高到77MPa·m1/2。此外,陸盤(pán)金等人則對(duì)滲氫變質(zhì)處理工藝作了一些改進(jìn),使其效果更為明顯。鈦合金滲氫變質(zhì)加工改善合金顯微組織的主要原因?yàn)?鈦合金鑄件滲氫時(shí),隨著溫度的升高和氫的滲入,合金迅速由α+β轉(zhuǎn)入β相區(qū),同時(shí)氫化物沿晶界和晶內(nèi)形成;滲氫退火時(shí),隨溫度的降低,除已形成的氫化物繼續(xù)存在外,發(fā)生β→α+TiH2轉(zhuǎn)變,又有大量的細(xì)小的氫化物產(chǎn)生,并彌散分布。由于β→α+TiH2轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的較大體積效應(yīng)和因貧主要合金元素的β相的低強(qiáng)度而引起的共格結(jié)合的晶粒/基體相界上的高彈性應(yīng)力,導(dǎo)致α相形成開(kāi)始階段就已失去共格性,限制了晶核按馬氏體機(jī)制生長(zhǎng)的可能性。此時(shí),晶粒的擴(kuò)散生長(zhǎng)也因進(jìn)行β→α轉(zhuǎn)變的溫度低而遇到困難,而不進(jìn)行β→α轉(zhuǎn)變的含氫β相中,可能發(fā)生共析轉(zhuǎn)變,也就是含氫β相的分解條件(即β相強(qiáng)度、析出相與基體錯(cuò)配應(yīng)力、相變體積效應(yīng)等)發(fā)生變化,使其在宏觀上表現(xiàn)為彈塑變形,微觀上致使晶粒取向和晶格畸變,造成氫化物周圍出現(xiàn)應(yīng)變場(chǎng)和基體中出現(xiàn)大量位錯(cuò),基體的畸變能大大增加,促使亞晶和鑲塊結(jié)構(gòu)的形成,為新相和新相再結(jié)晶提供了高密度的形核地點(diǎn)和能夠長(zhǎng)大的有利條件,因而在除氫處理時(shí),材料發(fā)生再結(jié)晶,使粗大的組織得以細(xì)化和等軸化。2.5試驗(yàn)法制備鈦合金棒材的可行性鈦零部件在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量殘料,一般殘料經(jīng)過(guò)處理后,加入到海綿鈦中回收利用。俄羅斯開(kāi)發(fā)成功了利用加氫處理工藝回收利用鈦合金切屑的新方法,包括殘鈦清洗、冷壓成塊、熱壓、加氫處理、成形和真空脫氫。氫的主要作用是作為抗氧化劑和增塑劑,可防止鈦氧化,降低流動(dòng)應(yīng)力和表面能量,提高基體原子遷移率,增加鈦的結(jié)合性,促進(jìn)再結(jié)晶,最終保證獲得致密的鈦合金切屑?jí)褐萍＠眠@種方法可不經(jīng)重熔生產(chǎn)棒材、帶材、角材和管材,所得材料力學(xué)性能與工業(yè)批產(chǎn)的鈦材相差無(wú)幾。表11給出了經(jīng)加氫處理后生產(chǎn)的棒材力學(xué)性能。這種方法與傳統(tǒng)方法相比,生產(chǎn)成本降低80%~90%,不僅解決了殘鈦回收問(wèn)題,而且其制品還可以用于民用工業(yè)部門(mén),為鈦在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊前景。3熱氫處理技術(shù)的作用鈦合金熱氫處理技術(shù)是鈦合金金相學(xué)和工藝學(xué)的一個(gè)新的學(xué)科方向,對(duì)于改善鈦合金的加工性能、挖潛鈦合金加工能力、提高制件使用性能和降低加工成本有重要的作用,具有很高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用前景。這項(xiàng)技術(shù)主要可應(yīng)用于:1)利用氫塑韌化效應(yīng)提高合金的工藝性能;2)通過(guò)優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)提高合金的使用性能;3)開(kāi)發(fā)新合金及其相應(yīng)的加工工藝。鈦合金熱氫處理技術(shù)是利用適量的氫與鈦合金的相互作用以達(dá)到改性和改善工藝性能的目的,已經(jīng)或有可能在下列幾個(gè)方面獲得應(yīng)用,并具有較高的實(shí)用價(jià)值。1)鈦合金熱成形是應(yīng)用較為廣泛的鈦制件加工技術(shù)。應(yīng)用鈦合金加氫對(duì)熱塑性和超塑性的有益影響,表現(xiàn)為流動(dòng)應(yīng)力的降低和塑性的提高,使熱變形更容易在較低的溫度下或較低的壓力下進(jìn)行,同時(shí)還能提高超塑性應(yīng)變速率,對(duì)提高超塑性的生產(chǎn)效率非常有利,因而熱氫處理技術(shù)可以有效地應(yīng)用于鈦合金的軋制、自由鍛、等溫鍛造、超塑性成形以及擴(kuò)散連接等工序,并具有一定的實(shí)用意義。同時(shí),鈦合金熱氫處理技術(shù)也為改善高溫高強(qiáng)難變形鈦合金的加工特性提供了一條有效途徑。這類鈦合金多為高鋁含量金屬間化合物,如Ti3Al,TiAl等,其常溫和熱加工塑性很低,幾乎不能用常規(guī)的方法對(duì)其進(jìn)行加工,開(kāi)發(fā)一種具有高剩余塑性的工藝方法尤為必要,因此,熱氫處理技術(shù)對(duì)于改善難變形的鈦合金成形性能更具實(shí)際意義。鈦合金熱成形溫度的降低意味著可用較為低廉的模具鋼代替鎳基高溫合金模具,節(jié)約貴重模具材料,降低加工難度和生產(chǎn)成本,并提高了模具壽命和生產(chǎn)效率;鈦合金流動(dòng)應(yīng)力的降低意味著降低了對(duì)設(shè)備的要求,提高了現(xiàn)有成形設(shè)備的能力。2)冷塑性變形是制造鈦合金半成品或零件的最經(jīng)濟(jì)手段,但除純鈦和一些高度合金化的β鈦合金外,其它鈦合金在室溫下工藝塑性很低,無(wú)法采用冷塑性加工手段進(jìn)