激光喷丸强化TC4钛合金抗氢渗透试验研究及数值模拟

发布时间：2020-06-14 00:34

【摘要】：TC4(Ti-6Al-4V)钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀性强等优异性能,在海洋工程装备领域中应用广泛,然而,钛合金亦具有较强的环境敏感性,海洋富氢环境将加剧钛合金构件表面的吸氢反应,导致氢致开裂,造成重大安全事故。激光喷丸表面改性技术利用高强冲击波压力在材料表层诱导应力强化和组织强化效应,可有效降低海洋工程关键结构件发生氢脆和应力腐蚀开裂的概率。本文以TC4钛合金为研究对象,通过理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,分析激光喷丸(Laser peening,LP)强化前后,试样中氢吸附和氢扩散行为的变化规律,探索激光喷丸TC4钛合金抗氢渗透的宏微观强化机理,最终实现延长海洋结构装备服役寿命的目的。主要工作如下:(1)从氢脆作用机理出发,分析钛合金氢脆产生的原因,阐述氢在材料中的吸附和扩散过程,讨论氢渗透相关理论及氢扩散的控制方程和本构方程,从弹塑性力学的角度出发,对激光喷丸后材料的动态响应机制进行分析,评估其诱导形成的残余应力场,分析激光喷丸强化诱导的残余压应力、晶粒细化及位错增殖等应力和组织强化效应提升TC4钛合金抗氢渗透性能的机理。(2)开展不同激光功率密度下,典型TC4钛合金试样激光喷丸强化、电化学充氢及氢渗透试验,探索充氢试样激光喷丸前后,材料表层残余应力、显微硬度、晶粒尺寸及位错组态等宏微观后续性能变化,及其对氢吸附和扩散行为的影响。结果表明,随着激光功率密度的增加,充氢试样表层的残余压应力幅值、显微硬度影响层深度、晶粒细化率和位错密度均增加,充氢后材料表层的硬化率逐渐降低,位错密度的增加可提供更多的氢捕获位点,且位错在材料内部的均匀分布有助于降低氢在晶界富集的概率。根据氢渗透试验的氢渗透曲线计算获得氢扩散系数、晶格中的氢浓度和氢陷阱密度等指标,结果表明,激光喷丸有利于阻碍氢原子在TC4钛合金材料表层的吸附,降低氢在材料晶格内的扩散系数,扩散率的降低使得氢难以继续向材料内部渗透,从而可有效降低TC4钛合金的氢脆敏感性。(3)基于ABAQUS软件,构建激光喷丸工艺参数-残余应力-氢扩散特性集成的数字化分析平台,将激光喷丸强化有限元分析所得的应力应变结果,作为氢扩散的预定义场,进行应力诱导氢扩散的顺次耦合计算,研究残余压应力分布对TC4钛合金抗氢渗透行为的影响规律,实现钛合金氢脆敏感性的合理预测。对比激光喷丸诱导表层残余应力的数值模拟和实验结果,表明模拟值与试验值的变化趋势一致,环境氢浓度直接影响氢渗入材料内部的速率及数量,激光喷丸诱导的残余压应力分布可有效降低进入材料内部的氢浓度,从而提高TC4钛合金抗氢脆性能。最后,综合分析实验和模拟结果,提出激光喷丸强化TC4钛合金抗氢渗透机理。 【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75;TG146.23;TG668

【图文】：

海洋领域,钛合金,海洋工程,舰船

如图1.1 所示，其卓越的综合性能得到了完美地展现。与铜、不锈钢、钢铁、铝合金等常规金属材料相比，钛材最显著的特点是比强度高、密度低、耐腐蚀性强；同时还具有杰出的无冷脆性、抗海水冲刷、无磁性等功能。在铸造及塑性成形等领域，能够使用一般的方式对其加工，所以各类海洋工程装备中钛合金的使用比较广泛。图 1.1 钛合金在海洋领域的应用(a)海洋工程(b)舰船Fig.1.1Application of titanium alloy in marine field (a) marine engineering (b) ship然而，钛合金具有很强的环境敏感性，在海洋富氢服役环境中，钛合金容易和氢发生相互作用产生氢脆失效。钛合金的吸氢能力比较强，早期研究发现钛合金在海水中具有明显的氢吸附现象，深海环境将加剧钛合金构件表面的吸氢反应或氢致开裂[2]，严重的安全事故会因此发生，从而限制了钛合金在海洋工程结构装备中的应用。因此，研究钛合金的抗氢脆工艺，抑制钛合金的氢脆敏感性，降低氢致裂纹的萌生几率和扩展速率，最终提高钛合金在深海富氢环境下的服役寿命具有十分重要的科学与工程意义。

背散射电子,试样,图像,氢化物

有外部氢的影响，钛材处于富氢环境时，可以与其中的氢相互作用。内部氢外部氢[6]-[8]与材料的作用机制已被大量研究。早在 19 世纪就发现了金属中的氢渗透现象，也有相关报道将钛放入氯化还原性酸中，发生了氢脆的现象。进入 20 世纪后，由于技术的飞速进步，钛材氢脆性能的检测和表征方法也不断更新，对钛合金氢脆现象的研究主要察在富氢环境中材料性能的变化，一些主要研究成果如下：V. Madina 等人[9]通过慢应变速率技术研究了三种不同钛合金对氢致应力现象的敏感性。所得结果表明，材料的微观结构，，特别是β相含量，对钛合致应力开裂现象的敏感性起着重要作用。通过氢在纯α钛合金中的低溶解度散率可解释浅氢化物层的产生和在无氢化物的 Ti Gr-2 合金上引起的二次。Ti Gr-12 合金中，少量的β相能够将氢引向基体材料，从而增加其渗透性氢含量达到饱和时，氢化物在α相中沉淀诱导裂纹产生（图 1.2）。对于 Ti G金而言，β相含量足以溶解试验期间在试样表面上产生的氢，而无氢化物沉二次裂纹。

【参考文献】