TC21 合金经氢处理后的微观组织

王杨

（安徽三联学院机械工程学院，安徽 合肥230601）

1 概述

钛合金有着广泛的用途,例如医疗、航空、机械设备等,其中在医疗生物方面,钛合金应用于人造骨,钛合金心脏起博器外壳以及人工关节等医疗方面已经取得很大进步；在航空领域方面,钛合金可应用于航空舰船的热交换器,深水设备的壳体等方面；在机械设备方面,可用于制造机械手表的零件制造；这些钛合金应用给国内外的经济成本效应带来了节约, 提高了国内外人民的生活水平。但是在零件的加工方面钛合金也存在一些弊端问题,首先当钛合金处于室温条件进行加工时,此时得到的钛合金的的塑性比较低,其极限变性能力也较弱,所以这就会产生它的极限抗压能力较大,而当经过高温冷却时零件容易发生开裂,这就需要我们在利用高温冷却时, 我们使用的温度不能过高或者过低[1]；其次当钛合金受热温度相对高,此时弹性应力相对大,这就大大导致了高温下钛合金内部自由原子活动自由低, 内部原子速率低,从而使用钛合金的使用效率有所降低[2]；因此当再次要想实现工艺的高温保护也就很困难,而且费用也会很高；因此钛合金在进行热加工时要求对模具材料和工艺材料要求也很高,同时要求其模具和工艺材料能够在900℃以上时仍然具有很高的强度,这给模具的选择和工装材料的选择带来很大的困难,因此在有些模具和工艺材料上不得不使用国外进口的材料,这就产生了材料运输中需要较长的时间和较高的费用等一系列问题。尤其是钛合金在铸件过程中还会产生较为粗大的魏氏组织的存在,这会导致铸件力学相对较差,尤其还会有强度和韧性相对较低, 这就极大的限制了钛合金铸件在航空航天领域的综合应用[3]。本文我们利用钛合金的热氢处理技术则是把氢作为一种临时合金元素,利用氢来改变其塑性、使其产生相变等作用,从而来改善钛合金的显微组织和加工性能[4]。

钛为同素异构体,具有两种晶体结构。在纯钛中,当温度低于882℃时,钛呈密排立方晶体结构(HCP),称为α-Ti；当温度介于882℃至熔点1678℃时, 钛为体心立方晶体结构(BCC), 称为β-Ti。在钛中添加适当的合金元素,可使其相变温度和相成分比例发生改变,从而得到不同室温组织的钛合金。根据不同组织类型,通常可将钛合金划分为α 型、α+β 型和β 型,对应的国内前置代号分别为TA、TC 和TB。进一步细分,α 型钛合金还可分为全α 合金和近α 合金；β 型钛合金还可分为稳定β 合金、亚稳β 型合金和近β 合金。α 型钛合金一般含有6%左右的Al 和少量中性元素, 退火后几乎全为α 相；α+β 型钛合金含有一定量的Al (6%以下)、不同含量的β 稳定元素和中性元素,退火后有不同比例的α 相和β 相；β 型钛合金含有较多量的β 稳定元素,退火或者固溶处理后有大量的β 相[5]。相比β相,α 相具有较低的塑性,较高的加工硬化能力,更强的各向异性以及更高的抗蠕变性能。因此,一般情况下,α 型钛合金耐腐蚀和耐氧化性能好,但室温塑性低,变形抗力大；α+β 型钛合金具有较好的综合性能,并且可焊接性较好,但冷成型和冷加工能力同样较差；β 型钛合金室温塑性较好,适合冷成型和冷加工。

氢是一种稳定的稳定间隙元素。在钛和氢合金中,它具有很高的溶解度。同时,氢α 相在钛中的溶解度在室温下非常低,仅为0.002%～0.007%,但随着温度的升高,溶解度逐渐增加；其次,当β/α 转变温度降低时,作为高度稳定的元素,氢膨胀相,纯钛β转变温度区降低886℃。对于0.5%H 的TC21 合金,330℃可使β 转变温度从980℃降低到805℃[6]。

TC21 合金是我国新开发的一种高强度、高韧性的合金,我们可以利用这一特性对钛合金进行加工和改善, 从而提高制造零件的使用性能和降低其加工成本。这一技术将降低社会的经济成本,有良好的发展潜力,故其综合力学性能匹配较好,适用于大型航空构件[7]。但它的室温加工困难,例如,当我们是对钛合金进行机械切削或者通过对其塑性成形时, 这会导致对钛合金的加工过程较为困难, 这些会导致我们对现有设备进行钛合金结构加工时,钛合金的物理特性会有所下降,钛合金铸件的成本会有所增加,这些缺陷会限制钛合金的实际的广泛应用能力。本文基于TC21 合金的热氢处理实验, 研究了氢元素对TC21 合金的组织演变的影响。

2 处理实验

实验材料为TC21 合金棒材,原始直径为30mm,经线切割,切取尺寸为φ4mm×6mm 的圆柱形试样。试样经过砂纸打磨,清洗,吹干,确保试样表面无污染。利用高温气相充氢法对TC21 合金进行置氢处理。置氢处理实验主要研究氢化温度、保温时间、氢压等对TC21 合金微观组织的影响规律, 总结利于置氢TC21合金冷塑性成形的氢化温度。具体的实验方案分为:通过控制初始氢压为10.0kPa,在不同温度下(550℃、600℃、650℃、750℃)分别对φ4mm×6mm 的试样进行吸氢实验, 保温时间均为2h；试样置氢前和置氢后都称重,利用电子,

3 氢化温度对TC21 合金室温组织的影响

图1 为原始TC21 合金及不同温度下但含有相同氢含量的置氢合金的光学显微组织。由图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。吸氢后,不同温度下氢化的TC21 合金的微观组织变化明显。

当氢化温度不超过650℃时,合金中相的形状和尺寸变化较小,但当氢化温度达到750℃时,相的形状和尺寸变化明显,因为氢是β 相稳定元素,氢化时α 相慢慢地转变成β 相。当氢化温度到达750℃时,原有的α 相几乎消失了。推出此合金加入氢元素后,相变温度在650-750℃之间某一温度。

图1 原始TC21 合金及不同温度下置氢合金的光学显微组织

4 结论

从上述热分析实验对钛合金室温组织的影响可以看出,在低于650°C 的温度下氢化时,TC21 合金相不会发生变化。氢是β相的稳定元素, 但是只有在以下情况下才会引发α→β 相变:当氢化温度为650℃以上。由于钛合金的塑性随着β 相数的增加而提高,因此为了提高TC21 合金的室温塑性,氢化温度控制在750℃以上以提高温度的塑性,此时的除氢保温时间4h,此除氢工艺处理后,钛合金的显微组织能够获得最好的细化效果。对于其他钛合金,此氢化温度不一定适用。