置氢钛合金亚稳相变及其室温变形行为的研究

论文摘要

钛合金具有比强度高、质量轻、耐腐蚀等特点,在航空航天等领域上获得了较为广泛的应用。然而,钛合金室温塑性低、变形抗力大、冷成形容易开裂等缺点大大限制了其冷态工艺性。置氢加工技术是利用氢在钛合金中的可逆合金化、氢致塑性和氢致相变等作用,通过改变合金的相成分及组织进而改善钛合金加工性能的一种新工艺、新方法。利用氢致室温增塑效应实现钛合金的冷镦成形是置氢加工的重要应用之一,但是国内学者在这方面的研究较少。本文从氢致钛合金相变入手,系统地研究氢致室温增塑的氢处理工艺及室温增塑机理。利用OM、XRD、TEM等分析手段研究了氢TC4、TC16钛合金组织演变;设计了石英管封装的热处理试验装置,并借助此装置完成了金相法对置氢钛合金β相转变温度（Tp）的测定以及氢致亚稳相转变规律的研究,建立了TC4-H、TC16-H的亚稳相转变相图。研究表明:氢作为β相稳定化元素,降低了TC4、TC16钛合金的β相转变温度,促进了α″马氏体和亚稳β相的生成。但由于氢在两种合金中的有限固溶使得氢无法将两种合金的β相完全稳定至室温。尽管如此,合金中α″马氏体和亚稳β相的出现仍为氢致室温增塑提供了基础。根据氢对两种合金相转变的影响,确定了实现室温增塑的最佳热处理工艺为:Tp+10℃淬火。采用压缩、拉伸、夏比冲击和动态镦粗等实验系统研究了置氢对TC4钛合金室温动、静态变形行为的影响;利用OM、XRD、TEM手段分析了置氢后材料的室温变形机理。结果表明:TC4钛合金经过Tp+10℃淬火后,室温压缩极限变形率随着氢含量的增加而增加,氢含量在0.6～0.9wt%时,极限变形率较原始合金提高了近一倍。拉伸和冲击试验结果表明,无论哪一种处理方式,材料的综合性能均下降,产生脆断。微观组织观察和相分析表明,置氢TC4钛合金室温压缩增塑的机理为:①氢促进了合金中α″马氏体与亚稳β相的生成;②变形过程中产生应力诱发α″马氏体;③氢降低了位错与孪晶形成的临界应力;④淬火后氢化物以纳米级出现。采用静态压缩、拉伸,动态镦粗和霍普金森压杆试验等实验系统研究了置氢对TC16钛合金室温动、静态变形行为的影响,并建立了室温本构方程;利用OM、XRD、TEM手段分析了置氢合金室温变形的机理。结果表明:置氢后TC16钛合金的拉伸性能大幅度下降,产生脆断;静态变形时,随着氢含量的增加,极限变形率降低;动态变形试验表明,置氢合金具有较好的变形能力,氢含量为1.0wt%时,变形极限超过70%。微观组织观察和相分析表明,氢致TC16钛合金室温压缩增塑的机理为:①氢降低了TC16钛合金的相变点,提高了β相的稳定性;②快速变形下,绝热温升显著,氢降低了合金的高温流变应力;③氢降低了临界剪切应力促进了位错的增殖和孪晶的产生,并发生应力诱发马氏体相变。利用金相法研究了α″马氏体和亚稳β相的分解转变过程,并据此制定了TC4钛合金细晶强化及除氢的热处理工艺,研究了除氢后的力学性能。结果表明:α″马氏体和亚稳β相的时效分解属于扩散型相变,700℃时两相的分解孕育期最短,分解完成时间最少;氢促进了β相稳定化元素的扩散,在时效过程中优先析β相,并在除氢过程没有随着氢的除去而分解。除氢后力学性能测试表明:氢含量为0.45wt%时时效强化效果最好,但是0.8wt%时获得比较好的综合性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛的合金化原理
• 1.2.1 钛的合金化元素
• 1.2.2 钛合金的固态相变
• 1.3 钛-氢合金化及置氢处理基本原理
• 1.3.1 氢在钛中的特性
• 1.3.2 Ti-H二元相图
• 1.3.3（α+β）型钛合金-H相变
• 1.3.4 置氢处理工艺
• 1.4 钛合金置氢加工研究进展
• 1.4.1 氢对室温塑性的影响
• 1.4.2 氢对高温塑性的影响
• 1.4.3 氢对超塑性的影响
• 1.4.4 置氢组织细化
• 1.5 本课题研究目的和意义
• 2 置氢钛合金的α+β/β转变温度
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 置氢试验
• 2.2.3 α+β/β相转变温度测试
• 2.2.4 显微组织分析
• 2.3 置氢钛合金显微组织
• 2.3.1 TC4钛合金显微组织分析
• 2.3.2 TC16钛合金组织分析
• 2.4 置氢钛合金α+β/β转变温度的测定
• 2.4.1 金相法测定置氢TC4钛合金α+β/β相转变温度
• 2.4.2 金相法测定置氢TC16钛合金α+β/β相转变温度
• 2.4.3 差热分析法（DSC）测定置氢钛合金的相转变温度
• 2.5 本章小结
• 3 置氢钛合金的亚稳相转变研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 置氢钛合金室温增塑热处理工艺
• 3.2.2 显微组织分析
• 3.3 置氢钛合金淬火后的显微组织
• 3.3.1 置氢TC4钛合金淬火后显微组织
• 3.3.2 置氢TC16钛合金淬火后显微组织
• 3.4 置氢钛合金析出相
• 3.5 置氢钛合金固态相变
• 3.6 本章小结
• 4 置氢TC4钛合金的室温变形行为
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 力学试验
• 4.3 置氢TC4钛合金室温力学性能
• 4.3.1 置氢TC4钛合金室温压缩性能
• 4.3.2 置氢TC4钛合金室温拉伸变形行为
• 4.3.3 置氢TC4钛合金室温冲击韧性
• 4.3.4 置氢TC4钛合金动态镦粗行为
• 4.4 置氢TC4钛合金室温变形机理
• 4.4.1 应力状态对置氢TC4钛合金室温变形的影响
• 4.4.2 置氢TC4钛合金变形后的显微组织观察
• 4.4.3 氢致TC4钛合金室温压缩增塑机理
• 4.5 本章小结
• 5 置氢TC16钛合金的室温变形行为
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 静态力学测试
• 5.2.2 霍普金森压杆试验
• 5.2.3 导热系数测定
• 5.3 置氢TC16钛合金室温变形行为
• 5.3.1 室温静态变形行为
• 5.3.2 室温动态压缩变形行为
• 5.4 置氢TC16钛合金室温变形的本构关系
• 5.4.1 室温变形的本构模型的选择
• 5.4.2 本构方程的建立
• 5.4.3 绝热温升的计算
• 5.5 变形显微组织观察分析
• 5.5.1 金相组织观察与分析
• 5.5.3 TEM观察与分析
• 5.6 本章小结
• 6 除氢后钛合金室温力学性能
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 马氏体分解实验
• 6.2.2 除氢试验
• 6.2.3 力学性能测试
• 6.3 亚稳相分解转变
• 6.3.1 亚稳相分解转变
• 6.3.2.变形后的时效微观组织演变
• 6.4 除氢后的力学性能
• 6.4.1 700℃除氢后的力学性能
• 6.4.2 时效除氢后的力学性能
• 6.4.3 断口分析
• 6.4.4 除氢后的微观组织分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介