氢在TC4钛合金扩散连接中的作用机理研究

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结构，进而达到改善钛合金加工性能的目的。自从该技术被提出以来，国内外学者主要对置氢与除氢基础理论，氢改善塑性加工性能及热氢处理细化晶粒等方面进行了大量的研究，然而对氢改善扩散连接性方面的研究较少。本文针对置氢TC4钛合金，分别开展了直接和间接扩散连接试验，研究了置氢合金母材相组成和微观组织演化演化规律，确定了扩散连接接头的界面结构以及连接工艺参数对界面结构的影响规律，并对TiH2粉末和高氢含量置氢合金的脱氢分解动力学进行了系统分析，在此基础上探讨了氢致低温扩散连接机理。
　　研究了置氢TC4钛合金的相组成以及微观组织演化规律。板状原始合金由一定轧制方向的(α+β)组成，随着氢含量的增加βH相和氢化物δ相依次出现，微观组织中轧制方向逐渐消失，当氢含量增加到0.4wt.％以上时α′马氏体大量形成。棒状原始合金由等轴状(α+β)组成，置氢0.15wt.%时，初生α相在原始β晶界面处形核并长大，随后β相中聚集的氢导致了片层状(βH+α)的形成，而置氢0.3wt.%时，较高的氢含量导致了共析产物(α+δ)和α′马氏体的形成。
　　直接扩散连接了置氢TC4钛合金，分析了其界面结构以及工艺参数对界面结构的影响。接头界面处只有扩散孔隙的存在，且随着连接温度、连接时间、连接压力、合金中氢含量以及加热速率的升高，界面处的扩散孔隙数量逐渐减少且尺寸逐渐变小；高含氢量的置氢合金在快速升温下扩散连接温度降低了大约150℃左右。在缓慢加热条件下，合金中含氢不稳定相逐渐发生分解，在氢的作用下合金元素发生了充分的扩散。在快速加热条件下，含氢不稳定相几乎同时发生分解，合金元素扩散不充分且在快速的冷却速度下导致大量α′马氏体形成。
　　采用Ni、Al、Nb和Ti中间层间接扩散连接了置氢TC4钛合金，分析了各类扩散偶中接头的界面结构。采用Ni中间层时接头界面处分别生成了β相变区、Ti2Ni、TiNi和TiNi3，采用Al中间层时界面处只生成TiAl3，采用Nb中间层时界面处只生成固溶体层。在相同的连接工艺参数下随着氢含量的增加，接头界面处扩散层的厚度逐渐增加。采用Ti中间层时，接头界面只由扩散孔隙组成，且在相同连接工艺参数下随着氢含量的增加，扩散孔隙数量及尺寸逐渐减小。
　　置氢TC4钛合金在600℃~950℃之间脱氢，而高氢含量置氢合金中氢主要以δ氢化物的形式存在。详细研究了TiH2粉末的脱氢分解动力学，其分解过程包括以下几个步骤：TiH2→TiH1.5+H2↑；δ→βH+H2↑；βH→βH+H2↑和βH→αH；βH→αH+H2↑。在此基础上确定了置氢0.5wt.%合金的脱氢分解动力学，具体脱氢分解过程如下：TiH1.5~2→TiH1.5+H2↑；δ→βH+H2↑；βH→βH+H2↑和βH→αH+H2↑。借助动力学模型探讨了置氢TC4钛合金低温扩散连接机理，氢的加入导致了在孔隙闭合过程中扩散系数的增大，也导致了变形和蠕变的改善，因而其扩散连接性得到了改善。且较快速度下升温能保证在扩散连接前，氢几乎不逸出，从而保证了活性氢含量，这有利于进一步增强扩散连接性。而在有反应层生成的间接扩散连接过程中，氢的加入导致了互扩散系数的升高。

目录

氢在TC4 钛合金扩散连接中的作用机理研究

RESEARCH ON MECHANISM OF HYDROGEN

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题目的和意义

1.2 氢在钛及钛合金中的特性及其微观作用机理

1.3 钛合金置氢加工工艺国内外研究现状

1.4 高氢压下金属元素扩散行为研究

1.5 扩散连接置氢TC4 钛合金

1.6 置氢钛合金脱氢动力学研究

1.7 本课题的主要研究内容

第2 章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备与工艺

2.3 微观组织观察及成分分析

2.4 X 射线相结构分析

2.5 综合热分析

2.6 接头抗剪强度分析

第3 章 置氢TC4 钛合金相组成及微观组织

3.1 引言

3.2 置氢TC4 钛合金相组成

3.3 置氢TC4 钛合金微观组织演化

3.4 本章小结

第4 章 置氢TC4 钛合金直接扩散连接研究

4.1 引言

4.2 直接扩散连接接头界面结构分析

4.3 连接工艺参数对接头界面扩散孔隙的影响

4.4 氢含量对接头界面扩散孔隙的影响

4.5 升温速率对接头界面扩散孔隙的影响

4.6 连接过程中元素的扩散及母材组织转变

4.7 本章小结

第5 章 置氢TC4 钛合金间接扩散连接研究

5.1 引言

5.2 Ni 中间层间接扩散连接置氢TC4 钛合金

5.3 Al 中间层间接扩散连接置氢TC4 钛合金

5.4 Nb 中间层间接扩散连接置氢TC4 钛合金

5.5 Ti 中间层间接扩散连接置氢TC4 钛合金

5.6 本章小结

第6 章 置氢TC4 钛合金低温扩散连接机理

6.1 引言

6.2 不同氢含量置氢TC4 钛合金放氢特性

6.3 置氢TC4 钛合金脱氢分解动力学

6.4 氢致低温扩散连接机理探讨

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历