氢在钛中扩散和相变的模拟与实验研究

论文摘要

钛及钛合金具有比强度高、韧性好、耐热、耐腐蚀、生物相容性好等优点而成为诸多领域不可或缺的材料,但可加工性差,加工费用高却成为其广泛应用的障碍。使用粉末冶金成型钛板是降低加工费用的一种潜在方法;而对钛进行热氢处理则会明显改善钛材的加工性质,从而进一步降低加工成本。本文主要使用模拟的方法并结合实验,研究了氢在钛颗粒和板材中的扩散和相变过程,认识了氢在钛中扩散和相变机制,为精确控制热氢处理提供理论依据。首先本文通过总结分析前人关于氢在不同钛（氢）相中的扩散机制和扩散系数的研究成果,得出氢在α钛和β钛现有的最理想的扩散系数和符合实际的扩散机制,并拟合出氢在钛氢化物中的扩散系数。进而根据所确定的氢在不同钛（氢）相中的扩散系数和机制,编辑了钛氢体系动力学数据库。结合Thermo-calc公司开发的钛基合金热力学数据库——TTTI3,对钛颗粒的充氢、脱氢过程和不同氢含量钛颗粒间和板材间的氢扩散和相变过程进行了计算机模拟,并用真空脱氢实验验证了模拟结果。总结了在不同特征温度下,钛颗粒充氢、脱氢及颗粒间,钛板材间扩散的特点,同时对不同温度下氢扩散过程,氢在钛中分布和相变情况进行了分析。由于模拟中所需的氢在钛表面传质系数目前尚无文献数据可参考,本文使用流化床炉对含氢量0.003wt%的钛板在恒定温度、外界氢浓度情况下进行渗氢,并用LECO GD-OES测量了钛板中氢浓度的分布。通过对比不同渗氢时间后的氢浓度分布曲线,计算得出氢在钛表面的传质系数。本文还通过实验比较了氢含量不同的普通钛板与粉末冶金钛板的机械性能,发现由钛粉末经压制烧结轧制而成的钛板与普通钛板应力应变曲线存在很大不同,随着氢含量增加,粉末冶金成型的钛（氢）板反而变软。在提供可行的热力学和动力学数据库的情况下,本文为当前体系所编扩散程序可用于任何固态-气态扩散体系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 钛热氢处理和渗氢过程的研究现状
• 1.2.1 钛热氢处理研究现状及其改善钛加工性质机理
• 1.2.2 钛渗氢过程的研究现状
• 1.3 本文研究目的和方法
• 第二章 钛氢体系的动力学和热力学
• 2.1 钛氢相图
• 2.2 氢在钛中的扩散机制和扩散系数
• 2.2.1 氢在α相中的扩散
• 2.2.2 氢在β相中的扩散
• 2.2.3 氢在钛氢化合物相中的扩散
• 2.3 钛氢体系热力学
• 2.4 本章小结
• 第三章 钛颗粒充氢和脱氢过程的实验与模拟
• 3.1 DICTRA 简介
• 3.2 动力学数据库
• 3.3 氢在钛表面传质系数的测定
• 3.4 模拟钛颗粒充氢过程
• 3.4.1 温度为573K 以下时氢在钛颗粒中的扩散与相变
• 3.4.2 温度为573～956K 时氢在钛颗粒中的扩散与相变
• 3.4.3 温度为956～1155K 时氢在钛颗粒中的扩散与相变
• 3.4.4 不同特征温度钛颗粒充氢过程中氢浓度的变化
• 3.5 模拟钛颗粒的脱氢过程
• 3.6 脱氢钛板氢浓度曲线的测定
• 3.7 本章小结
• 第四章 氢在不同浓度钛颗粒及钛板材间的扩散与相变模拟
• 4.1 氢在同相不同浓度钛颗粒间的扩散
• 4.1.1 传热与扩散的关系
• 4.1.2 氢在间隙中的扩散系数
• 4.1.3 关于颗粒间隙
• 4.1.4 ANSYS 分析需要注意的问题
• 4.1.5 ANSYS 计算结果及分析
• 4.1.6 使用ANSYS 分析的优缺点
• 4.2 氢在钛板材间的扩散与相变过程
• 4.2.1 温度为573K 以下时两板材之间的扩散与相变
• 956K 时两板材之间的扩散与相变'>4.2.2 温度为573⁹56K 时两板材之间的扩散与相变
• 1155K 时两板材之间的扩散与相变'>4.2.3 温度为956¹155K 时两板材之间的扩散与相变
• 4.3 本章小结
• 第五章 氢对钛机械性能的影响分析
• 5.1 纯钛的机械性能
• 5.2 氢对普通钛板的机械性能的影响
• 5.3 氢对粉末冶金钛板应力应变曲线的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文