發(fā)布時(shí)間：2020-06-11 17:04

【摘要】： 鈦合金置氫加工工藝是將氫作為一種臨時(shí)合金元素,通過改變鈦合金的相組成和微觀組織,進(jìn)而達(dá)到改善鈦合金加工性能的目的。但是以往的置氫技術(shù)通常是在合金固態(tài)的條件下進(jìn)行,使鈦合金在固態(tài)的條件下吸入氫元素。該方法往往應(yīng)用于一些薄壁件的氫處理,這是由于氫元素在固相中的擴(kuò)散速度較慢,需要較長(zhǎng)時(shí)間才能使合金獲得所需的氫含量,這就在一定程度上限制了置氫工藝的適用范圍。本文針對(duì)固態(tài)置氫存在的這一問題提出了液態(tài)置氫的概念,所謂液態(tài)置氫(Melt hydrogenation),是指在熔化的過程中將氫引入到合金熔體中的一種置氫方法。本論文通過熔煉的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鈦合金的液態(tài)置氫,鈦合金在氫/氬混合氣氛中進(jìn)行熔煉,被吸收的氫在凝固后保留在合金的內(nèi)部,我們將這種方法稱為氣相擴(kuò)散法液態(tài)置氫。該置氫方法可以對(duì)較大厚度、尺寸的試樣進(jìn)行置氫處理,比如鈦合金鑄錠。 本文首先進(jìn)行了液態(tài)置氫的熱力學(xué)研究,利用稱量合金試樣的質(zhì)量變化和計(jì)算被合金熔體吸收的氫的摩爾分?jǐn)?shù)兩種方法對(duì)TC4合金內(nèi)的氫含量進(jìn)行了計(jì)算。并對(duì)第二種方法進(jìn)行了不同角度的驗(yàn)證。在驗(yàn)證的過程中推導(dǎo)出了液態(tài)置氫過程中氫在TC4合金熔體中的溶解熱約為-38.04kJ/mol。在確定鈦合金氫含量的基礎(chǔ)上,選擇西華特定律,也就是平方根定律為模型,分別建立了關(guān)于TC4合金,TC21合金,Ti600合金的氫溶解度與氫分壓的關(guān)系式。基于這些公式,可以實(shí)現(xiàn)通過控制氫分壓來(lái)控制合金中的氫含量的目的。液態(tài)置氫具有較快的吸氫速度,這由于氫在合金熔體中具有較大的擴(kuò)散系數(shù),并且該擴(kuò)散系數(shù)隨著氫分壓和溫度的增加而增大。液態(tài)置氫的氫飽和時(shí)間隨著氫含量的增加而減少。 氫/氬氣氛下熔煉對(duì)鈦合金的脫氧效果得到了探索性的研究。發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)降低鈦合金內(nèi)的氧含量具有較為明顯的效果。對(duì)一些影響脫氧效果的因素進(jìn)行了分析討論,并提出了氫致脫氧的機(jī)理:由于氧與氫結(jié)合形成水蒸氣從合金熔體內(nèi)部排出導(dǎo)致了合金氧含量的降低。分別分析了氧元素以及氫致脫氧對(duì)鈦合金的顯微組織的影響,發(fā)現(xiàn)合金的顯微組織隨著合金內(nèi)的氧含量的增加而粗化,經(jīng)過氫氣氛下熔煉脫氧后的合金的組織發(fā)生了細(xì)化,這在晶界處體現(xiàn)的尤為明顯。 實(shí)驗(yàn)中使用體式鏡,光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分別研究了液態(tài)置氫對(duì)鈦合金的宏觀組織和顯微組織的影響。發(fā)現(xiàn)液態(tài)置氫對(duì)合金的宏觀組織和顯微組織都具有細(xì)化作用,這種作用隨著氫含量的增加而增強(qiáng)。細(xì)化晶粒的原因包括兩方面:一是由于氫的加入提高了形核率;另一方面是由于氫促進(jìn)了枝晶游離的作用。氫元素的加入,使熔體上下表面的溫度梯度增大,表現(xiàn)為合金的局部存在一定的定向凝固效果,合金局部會(huì)出現(xiàn)排列十分規(guī)則的柱狀晶。對(duì)顯微組織的細(xì)化是由于氫促進(jìn)了殘余β相的體積分?jǐn)?shù)的增加,這樣就會(huì)對(duì)α板條的長(zhǎng)大具有一定的抑制作用,同時(shí)氫含量的增加還會(huì)促使針狀的α′相以及α"馬氏體的生成。 使用透射電子顯微鏡分析了鈦合金的亞結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)δ氫化物存在于液態(tài)置氫后的TC4合金中,它存在于兩條平行的β相之間的α相中,與β相成大約60度角分布。氫化物以兩種形態(tài)存在于α相中:單個(gè)存在以及成對(duì)的出現(xiàn)。氫化物的數(shù)量隨著合金內(nèi)的氫含量的增加而增加。根據(jù)透射電鏡的分析,同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)的具體條件,本文闡述了液態(tài)置氫后的TC4合金內(nèi)的氫化物的形成機(jī)制。 利用Gleeble熱模機(jī)對(duì)液態(tài)置氫后的TC4合金的高溫力學(xué)性能進(jìn)行了熱模擬。分別研究了溫度,應(yīng)變速率以及氫含量對(duì)鈦合金的高溫流變應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)氫含量低于5.31×10~(-2) wt.%時(shí)會(huì)使合金的流變應(yīng)力有所增加,當(dāng)合金內(nèi)的氫含量高于這一數(shù)值時(shí),合金的流變應(yīng)力逐漸下降,并且屈服強(qiáng)度明顯低于未置氫的鈦合金。并通過TEM下的分析發(fā)現(xiàn)氫促進(jìn)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生,導(dǎo)致了鈦合金的高溫流變應(yīng)力的降低。確定液態(tài)置氫的TC4合金的最佳氫含量范圍為0.1 wt.%左右,氣氛中的氫含量為30%左右。
【圖文】：

：隨著國(guó)外各種飛機(jī)的更新?lián)Q代，，鈦合金在飛機(jī)上的用量(結(jié)構(gòu)重量所占比例)呈現(xiàn)不斷提高的總趨勢(shì)，見表1-1和圖1-1。表1-1 美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)各種材料結(jié)構(gòu)重量百分比[1]Table 1-1 Weight percentage of the materials used in some American battleplanes[1]Materials YF-71 F/A-18A/B F/A-18C/D F/A-18E/F YF-22 F-22Al alloys 73 49.5 50 29 35 15Ti alloys 7 12 13 15 24 41Steel 10 15 16 14 5 5Composites 8 9.5 10 23 23 24Other 2 14 21 19 13 14圖1-1 波音客機(jī)的鈦用量[3]Fig.1-1 The increasing of the percent of titanium alloy in boeing airliner[3]相關(guān)博士學(xué)位論文 2011年 第04期 工程科技Ⅰ輯 B022-17-10

由于它有著高的強(qiáng)度，耐腐蝕能力，較低的密度等[7]。圖1-2就是鈦合金在質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用，由于鈦合金的低密度及良好的耐腐蝕性能[4]。圖1-2 質(zhì)子交換膜燃料電池中的鈦合金電極[4]Fig.1-2 The titanium alloy bipolar plate in the proton exchange membrane fuel cell[4](a) pure titanium bipolar/end plate, (b) gold-plated titanium bipolar/end plate鈦合金有著廣泛的用途，存在很多優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在著一些加工上的缺點(diǎn)。鈦合金室溫塑性低，變形極限低，變形抗力大，冷成型容易開裂，大大的限制了鈦合金的冷態(tài)工藝性；鈦合金的熱變形溫度高，流動(dòng)應(yīng)力大，高溫下原子擴(kuò)散能力低，應(yīng)變速率低，超塑性成形、擴(kuò)散焊接加工以及粉末固結(jié)的時(shí)間長(zhǎng)、效率低；(a)(b)第04期 王亮：鈦合金液態(tài)氣相置氫及其對(duì)組織和性能的影響 B022-17-11
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TG146.23

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉鑫旺;γ-TiAl基合金液態(tài)置氫及其對(duì)組織和力學(xué)性能的影響[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

2 董福宇;液態(tài)置氫對(duì)鋯基塊體非晶合金形成能力和力學(xué)性能的影響[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2708196