热氢处理对Ti-5Al-2.5SnELI合金铸态组织和性能的影响

摘要

钛合金具有很多优异的特点，其中包括：较小的密度、较高的强度、耐腐蚀、耐高温等，因而被广泛用于各个领域。超低间隙相 Ti-5Al-2.5Sn ELI（Extra Low Interstitial）钛合金是航天领域重要的低温结构材料。本文开展了以细化铸造组织、提高铸件性能为最终目标的热氢处理（THT）影响研究。
　　热氢处理较好的解决了传统热处理不适用于钛合金的难题，有优异的组织细化效果，是一种非常有前途的热处理手段，是目前为数不多的可以细化组织、增强性能的一种效果显著的方法。热氢处理的主要依据是氢与钛合金的结合具有独特性，氢在钛合金中的溶解是可逆的，氢可以作为一种特殊的临时合金化元素存在于钛中。
　　本文首先研究了铸造Ti-5Al-2.5Sn ELI的置氢和除氢工艺，Ti-5Al-2.5Sn ELI合金试样在590℃以下几乎不吸附氢气，在温度升到750℃时对氢气的吸附速率达到最大。在750℃下保温时间达到90min时，固溶在Ti-5Al-2.5Sn ELI合金试样中的氢原子和炉内的氢气在热力学上达到了平衡，此时，被吸附的氢原子在 Ti-5Al-2.5Sn ELI合金试样内部也实现了均匀分布。具体置氢工艺为：往放有试样的炉内通入不同压力的高纯氢气，升温至750℃保温时间90min，根据氢压的不同可以得到不同氢含量的置氢样。在真空度1×10-3Pa、750℃条件下保温12h后Ti-5Al-2.5Sn ELI合金试样最终氢含量为0.012wt％，在ELI级钛合金标准（0.015wt%）之内，以此作为除氢手段。
　　对获得的含氢试样，采用光学显微镜、X射线衍射仪及透射电子显微镜分析了氢对铸造 Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金室温组织的影响规律，通过对不同氢含量的试样进行硬度测试，研究了氢含量对硬度的影响；并对除氢后的试样进行拉伸和冲击测试，研究热氢处理对拉伸性能和冲击性能的影响。研究发现：单一α相铸造Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金置氢量在0.321wt%时，组织内部出现β相和δ氢化物，平均晶粒尺寸由原始态的650μm变为450μm，当置氢量达到0.515wt%时，平均晶粒尺寸约为220μm，δ氢化物随着置氢量的增加而增加，晶粒的细化是相变和再结晶两种机制共同作用的结果。置氢之后含氢试样的硬度随着氢含量的增高而变大，初始样的硬度为252HBW，氢含量为0.321wt%的试样硬度提高至315HBW，氢含量为0.920wt%时，硬度提高至381HBW。通过置氢处理后，组织内位错数量增多，生成的氢化钛δ相导致钛合金微观结构发生畸变，同时对位错运动产生钉扎阻碍作用，氢原子、氢化钛和位错之间的互相影响最终使钛合金的硬度得以提高。
　　对铸造Ti-5Al-2.5SnELI钛合金进行置氢处理后，合金中逐渐生成氢化物，并且随置氢量增多，合金内部生成的氢化物数量增加，对合金产生的晶粒细化作用明显增强。除氢后的试样拉伸和冲击性能也随置氢量的增加大幅提高，其中，对置氢量为0.920wt%的试样进行除氢后，与原始试样相比抗拉强度提高了17.7%，塑性提高了33%，冲击韧性提高了37%。
　　增强。除氢后的试样拉伸和冲击性能也随置氢量的增加大幅提高，其中，对置氢量为0.920wt%的试样进行除氢后，与原始试样相比抗拉强度提高了17.7%，塑性提高了33%，冲击韧性提高了37%。
　　增强。除氢后的试样拉伸和冲击性能也随置氢量的增加大幅提高，其中，对置氢量为0.920wt%的试样进行除氢后，与原始试样相比抗拉强度提高了17.7%，塑性提高了33%，冲击韧性提高了37%。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钛合金热氢处理技术

1.3 氢在钛合金中的特征

1.4 钛合金热氢处理的研究现状

1.5 项目来源

1.6 主要内容及目标

第二章 试验材料及分析方法

2.1 试验材料的制备

2.2 实验材料的分析

第三章 Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的置氢除氢行为研究

3.1 引言

3.2 置氢行为的研究

3.3 除氢过程的研究

3.4 本章小结

第四章 热氢处理对Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的组织结构、力学性能影响及机理分析

4.1 热氢处理对Ti-5Al-2.5Sn ELI合金金相组织的影响

4.2 Ti-5Al-2.5Sn ELI合金物相分析

4.3 氢化物及其形成机制

4.4 置氢Ti-5Al-2.5Sn ELI合金硬度及其变化机理

4.5 热氢处理对Ti-5Al-2.5Sn ELI合金拉伸性能的影响及其原理分析

4.6 热氢处理对Ti-5Al-2.5Sn ELI合金冲击性能的影响及其原理分析

4.7 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文和参加科研情况