钛合金置氢增塑机理及其高温变形规律研究

摘要

钛合金由于具有比强度高、热强性好和耐腐蚀等优点广泛地应用于航空、航天、舰船工业中，但是其室温下塑性低、变形容易开裂，高温下变形温度高、加工范围窄、变形抗力大，给设备和系统提出了一系列的问题。钛合金热氢加工技术，即把氢作为临时合金化元素的方法，通过氢致塑性、氢致相变以及钛合金中氢的可逆合金化作用是改善钛合金热加工性能的有效途径。但是置氢钛合金的高温变形行为及氢致钛合金的高温增塑机理一直缺乏系统的研究。本文针对这些问题，进行了深入的研究。
　　合金的室温组织是影响其高温变形性能的重要因素，本文首先采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪及透射电子显微镜分析了置氢对钛合金室温组织及亚结构的影响规律，揭示了置氢钛合金冷却过程中氢化物的析出机制，建立了置氢钛合金冷却过程中的组织转变模型。本文采用连续升温金相法，研究了置氢对钛合金β相变点的影响规律；借助高温金相显微镜、高温X射线衍射仪、差热分析和热重分析等手段系统分析了置氢对钛合金加热和冷却过程中同素异晶转变α<-->β，共析转变β→α+δ和马氏体相变β→α'的影响，从而明确了置氢钛合金加热过程中的相转变次序；建立了加热过程中的α→β转变模型。本文提出的置氢对钛合金加热和冷却过程中组织及相转变的影响规律为钛合金氢处理提供了理论基础。
　　本文采用等温热压缩的方法研究了Ti6Al4V-xH系列合金的高温变形规律，系统地研究了氢含量、变形温度及应变速率对钛合金力学行为和组织演变的影响规律。主要结果表明：氢含量和变形参数对Ti6Al4V-xH钛合金的变形行为有显著的影响。当Ti6Al4V-xH合金在两相区变形时，合金的流动应力随氢含量的增加先降低至最小值而后逐渐上升，即在一定的氢含量范围内，置氢可显著降低钛合金的变形抗力，增加钛合金的高温塑性，降低钛合金的成形温度，置氢可以改善钛合金的热加工性能。本文依据置氢对Ti6Al4V合金高温变形过程中组织演变的影响规律，揭示了氢致钛合金高温增塑机理，探讨了最佳氢含量存在的原因，为钛合金热氢加工技术的发展提供了理论依据。Ti6Al4V-xH系列合金的流动应力随着变形温度的增加和应变速率的降低逐渐降低。
　　此外，本文通过真空退火的方法对高温变形后的置氢合金进行除氢。研究表明：真空除氢后，置氢合金中的氢含量在安全范围内，且与最佳氢含量相对应的合金组织更加细小。结合置氢钛合金的室温组织、高温变形力学行为、高温变形组织演变规律及真空退火后的显微组织，确定Ti6Al4V钛合金的最佳氢含量范围为0.2～0.3wt.％，其最佳变形温度范围为800℃～850℃，比非置氢合金最佳变形温度降低约100～150℃，这对于优化钛合金的热氢加工技术具有重要的指导意义。

目录

钛合金置氢增塑机理及其高温变形规律研究

STUDY ON THE HYDROGEN ENHANCED PLASTICITY MECHANISM AND DEFORMATION BEHAVIORS OF TITANIUM ALLOYS AT HIGH TEMPERATURES

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 钛合金及其高温变形行为研究

1.2.1 钛合金

1.2.2 钛合金的高温变形行为及本构关系研究

1.3 氢在钛合金中的行为研究

1.3.1 氢在钛合金中的溶解

1.3.2 氢在钛合金中的扩散

1.3.3 钛氢化物

1.4 钛合金氢处理技术国内外研究现状

1.4.1 钛合金氢处理技术

1.4.2 氢致钛合金高温增塑的国内外研究现状

1.4.3 氢处理在钛合金中的应用

1.4.4 氢对相变的影响

1.4.5 钛氢微观作用机理

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2.1 试验材料

2.2 氢处理工艺

2.3 热处理工艺

2.4 热分析

2.5 性能测试

2.6 材料的组织结构分析

2.6.1 X射线衍射分析（XRD）

2.6.2组织观察

2.6.3 电子背散射衍射分析（EBSD）

2.6.4 透射电镜观察（TEM）

2.6.5 高温金相显微试验

第3章 Ti6Al4V-xH合金室温组织研究

3.1 引言

3.2 Ti6Al4V-xH钛合金室温组织

3.3 XRD物相分析

3.4 氢对Ti6Al4V-xH合金中氢化物的影响

3.5 氢化物形成机制的讨论

3.6 Ti6Al4V-xH合金亚结构

3.7 本章小结

第4章 Ti6Al4V-xH钛合金相变行为研究

4.1 引言

4.2 金相法测定相变温度

4.3 差热分析研究

4.4 热重分析

4.5 高温金相分析

4.6 高温XRD物相分析

4.7 氢致钛合金相变的热力学与动力学研究

4.8 本章小结

第5章 Ti6Al4V-xH钛合金高温流动行为研究

5.1 引言

5.2 Ti6Al4V-xH钛合金真应力-应变曲线

5.3 氢对Ti6Al4V-xH钛合金流动应力行为的影响

5.4 温度对Ti6Al4V-xH钛合金流动应力行为的影响

5.5 应变速率对Ti6Al4V-xH合金流动应力行为的影响

5.6 Ti6Al4V-xH合金的高温变形本构方程

5.7 本章小结

第6章 Ti6Al4V-xH钛合金组织演变规律研究

6.1 引言

6.2 氢含量对钛合金组织演变规律的影响

6.2.1 氢对β相的强化作用

6.2.2 氢致钛合金高温增塑机理

6.3 变形温度对组织演变规律的影响

6.4 应变速率对组织演变规律的影响

6.5 最佳氢含量及工艺参数的制定

6.6 变形后置氢合金的热重分析

6.7 真空除氢

6.8 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

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历