王楊

（安徽三聯(lián)學院機械工程學院，安徽 合肥230601）

1 概述

鈦合金有著廣泛的用途,例如醫(yī)療、航空、機械設(shè)備等,其中在醫(yī)療生物方面,鈦合金應(yīng)用于人造骨,鈦合金心臟起博器外殼以及人工關(guān)節(jié)等醫(yī)療方面已經(jīng)取得很大進步；在航空領(lǐng)域方面,鈦合金可應(yīng)用于航空艦船的熱交換器,深水設(shè)備的殼體等方面；在機械設(shè)備方面,可用于制造機械手表的零件制造；這些鈦合金應(yīng)用給國內(nèi)外的經(jīng)濟成本效應(yīng)帶來了節(jié)約, 提高了國內(nèi)外人民的生活水平。但是在零件的加工方面鈦合金也存在一些弊端問題,首先當鈦合金處于室溫條件進行加工時,此時得到的鈦合金的的塑性比較低,其極限變性能力也較弱,所以這就會產(chǎn)生它的極限抗壓能力較大,而當經(jīng)過高溫冷卻時零件容易發(fā)生開裂,這就需要我們在利用高溫冷卻時, 我們使用的溫度不能過高或者過低[1]；其次當鈦合金受熱溫度相對高,此時彈性應(yīng)力相對大,這就大大導致了高溫下鈦合金內(nèi)部自由原子活動自由低, 內(nèi)部原子速率低,從而使用鈦合金的使用效率有所降低[2]；因此當再次要想實現(xiàn)工藝的高溫保護也就很困難,而且費用也會很高；因此鈦合金在進行熱加工時要求對模具材料和工藝材料要求也很高,同時要求其模具和工藝材料能夠在900℃以上時仍然具有很高的強度,這給模具的選擇和工裝材料的選擇帶來很大的困難,因此在有些模具和工藝材料上不得不使用國外進口的材料,這就產(chǎn)生了材料運輸中需要較長的時間和較高的費用等一系列問題。尤其是鈦合金在鑄件過程中還會產(chǎn)生較為粗大的魏氏組織的存在,這會導致鑄件力學相對較差,尤其還會有強度和韌性相對較低, 這就極大的限制了鈦合金鑄件在航空航天領(lǐng)域的綜合應(yīng)用[3]。本文我們利用鈦合金的熱氫處理技術(shù)則是把氫作為一種臨時合金元素,利用氫來改變其塑性、使其產(chǎn)生相變等作用,從而來改善鈦合金的顯微組織和加工性能[4]。

鈦為同素異構(gòu)體,具有兩種晶體結(jié)構(gòu)。在純鈦中,當溫度低于882℃時,鈦呈密排立方晶體結(jié)構(gòu)(HCP),稱為α-Ti；當溫度介于882℃至熔點1678℃時, 鈦為體心立方晶體結(jié)構(gòu)(BCC), 稱為β-Ti。在鈦中添加適當?shù)暮辖鹪?可使其相變溫度和相成分比例發(fā)生改變,從而得到不同室溫組織的鈦合金。根據(jù)不同組織類型,通常可將鈦合金劃分為α 型、α+β 型和β 型,對應(yīng)的國內(nèi)前置代號分別為TA、TC 和TB。進一步細分,α 型鈦合金還可分為全α 合金和近α 合金；β 型鈦合金還可分為穩(wěn)定β 合金、亞穩(wěn)β 型合金和近β 合金。α 型鈦合金一般含有6%左右的Al 和少量中性元素, 退火后幾乎全為α 相；α+β 型鈦合金含有一定量的Al (6%以下)、不同含量的β 穩(wěn)定元素和中性元素,退火后有不同比例的α 相和β 相；β 型鈦合金含有較多量的β 穩(wěn)定元素,退火或者固溶處理后有大量的β 相[5]。相比β相,α 相具有較低的塑性,較高的加工硬化能力,更強的各向異性以及更高的抗蠕變性能。因此,一般情況下,α 型鈦合金耐腐蝕和耐氧化性能好,但室溫塑性低,變形抗力大；α+β 型鈦合金具有較好的綜合性能,并且可焊接性較好,但冷成型和冷加工能力同樣較差；β 型鈦合金室溫塑性較好,適合冷成型和冷加工。

氫是一種穩(wěn)定的穩(wěn)定間隙元素。在鈦和氫合金中,它具有很高的溶解度。同時,氫α 相在鈦中的溶解度在室溫下非常低,僅為0.002%～0.007%,但隨著溫度的升高,溶解度逐漸增加；其次,當β/α 轉(zhuǎn)變溫度降低時,作為高度穩(wěn)定的元素,氫膨脹相,純鈦β轉(zhuǎn)變溫度區(qū)降低886℃。對于0.5%H 的TC21 合金,330℃可使β 轉(zhuǎn)變溫度從980℃降低到805℃[6]。

TC21 合金是我國新開發(fā)的一種高強度、高韌性的合金,我們可以利用這一特性對鈦合金進行加工和改善, 從而提高制造零件的使用性能和降低其加工成本。這一技術(shù)將降低社會的經(jīng)濟成本,有良好的發(fā)展?jié)摿?故其綜合力學性能匹配較好,適用于大型航空構(gòu)件[7]。但它的室溫加工困難,例如,當我們是對鈦合金進行機械切削或者通過對其塑性成形時, 這會導致對鈦合金的加工過程較為困難, 這些會導致我們對現(xiàn)有設(shè)備進行鈦合金結(jié)構(gòu)加工時,鈦合金的物理特性會有所下降,鈦合金鑄件的成本會有所增加,這些缺陷會限制鈦合金的實際的廣泛應(yīng)用能力。本文基于TC21 合金的熱氫處理實驗, 研究了氫元素對TC21 合金的組織演變的影響。

2 處理實驗

實驗材料為TC21 合金棒材,原始直徑為30mm,經(jīng)線切割,切取尺寸為φ4mm×6mm 的圓柱形試樣。試樣經(jīng)過砂紙打磨,清洗,吹干,確保試樣表面無污染。利用高溫氣相充氫法對TC21 合金進行置氫處理。置氫處理實驗主要研究氫化溫度、保溫時間、氫壓等對TC21 合金微觀組織的影響規(guī)律, 總結(jié)利于置氫TC21合金冷塑性成形的氫化溫度。具體的實驗方案分為:通過控制初始氫壓為10.0kPa,在不同溫度下(550℃、600℃、650℃、750℃)分別對φ4mm×6mm 的試樣進行吸氫實驗, 保溫時間均為2h；試樣置氫前和置氫后都稱重,利用電子,

3 氫化溫度對TC21 合金室溫組織的影響

圖1 為原始TC21 合金及不同溫度下但含有相同氫含量的置氫合金的光學顯微組織。由圖1(a)可以看出,原始TC21 合金包含白色的α 相和灰黑色的β 相。吸氫后,不同溫度下氫化的TC21 合金的微觀組織變化明顯。

當氫化溫度不超過650℃時,合金中相的形狀和尺寸變化較小,但當氫化溫度達到750℃時,相的形狀和尺寸變化明顯,因為氫是β 相穩(wěn)定元素,氫化時α 相慢慢地轉(zhuǎn)變成β 相。當氫化溫度到達750℃時,原有的α 相幾乎消失了。推出此合金加入氫元素后,相變溫度在650-750℃之間某一溫度。

圖1 原始TC21 合金及不同溫度下置氫合金的光學顯微組織

4 結(jié)論

從上述熱分析實驗對鈦合金室溫組織的影響可以看出,在低于650°C 的溫度下氫化時,TC21 合金相不會發(fā)生變化。氫是β相的穩(wěn)定元素, 但是只有在以下情況下才會引發(fā)α→β 相變:當氫化溫度為650℃以上。由于鈦合金的塑性隨著β 相數(shù)的增加而提高,因此為了提高TC21 合金的室溫塑性,氫化溫度控制在750℃以上以提高溫度的塑性,此時的除氫保溫時間4h,此除氫工藝處理后,鈦合金的顯微組織能夠獲得最好的細化效果。對于其他鈦合金,此氫化溫度不一定適用。