航天器用钛合金氢致结构演变及氢脆表征方法研究
发布时间：2022-02-04 16:20
采用室温电化学充氢方法对航天器用TC4钛合金式样充氢,通过对充氢式样进行XRD分析,探究了不同氢含量对钛合金结构的影响,分析了不同氢含量的合金组织结构变化及分布情况。采用慢应变速率拉伸、200h持久加载及逐级加载等力学实验,对不同氢含量的TC4合金的氢脆敏感性进行了表征,发现逐级加载不仅能提供氢脆敏感性的定性结论,同时给出不同氢含量合金试样的承载载荷定量数据。
【文章来源】：有色金属工程. 2020,10(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
TC4不同氢含量下表面结构的XRD图谱
图2为充氢TC4合金由表面至机械磨抛至不同深度处的XRD图谱。其中，图2(a）为标称氢含量0.012 5%实验样品。由图2可见，充氢后式样表面结构为α、β相及γ-TiH2钛氢化合物。当式样表面被磨抛一定厚度（36μm）后，XRD图谱中γ-TiH2钛氢化合物对应的衍射峰强度变得非常微弱，在该位置处合金的主要结构为α、β相。这种变化趋势在56μm更加明显，通过XRD几乎观察不到该深度位置处的γ-TiH2钛氢化合物衍射峰。对于标称氢含量分别为0.012 5%、0.05%、0.1%的式样，其表面分别机械去除56、60、79、83μm表层后，氢化物层对应的衍射峰几乎无法通过XRD清晰分辨，表明在该深度处γ-TiH2钛氢化合物含量非常低。通过图1和图2的结果可以判断，TC4钛合金在不同的充氢工艺条件下，从未充氢的α+β双相结构变为α+β+γ-TiH2三相结构[13]。同时，由于H在钛合金中的扩散速度极慢[5]，这些H与Ti形成γ-TiH2钛氢化合物后在距表面一定深度处富集，很难迅速扩散到合金更深处位置。即使通过改变充氢工艺参数大幅度提高氢含量，钛氢化合物也仅富集在钛合金的浅表层（小于100μm）。当把浅表层合金去除后，TC4合金仍保持了α+β双相结构。图3为标称氢含量0.1%样品横截面SEM二次电子相照片。其中图3(a）为试样与氢接触的表面及过渡区域，图3(b）、（c）和（d）分别为该样品表面区域、过渡区域及芯部区域的高倍组织照片。由图3(a）可见，其显微组织随着表面向芯部深入而变化。由于氢在Ti合金中扩散速度较慢，表面氢含量较高，氢大量富集导致组织中形成了条形和针状组织。而在式样芯部由于其氢含量极低（接近未充氢样品），其显微组织仍然保留为黑色α相基体和颗粒状白色β相。图3(c）为表面组织和芯部组织的过渡区域，其组织为白色β相颗粒与针状组织的复合形态。SEM实验结合XRD结果表明，TC4合金经化学充氢后，试样表面组织由于双相比例的变化和TiH2化合物的析出，与基体组织产生了明显的区别。液态充氢TC4钛合金与高温置氢TC4钛合金表现出类似的组织形貌演变情况，氢导致共析产物和马氏体相的形成[14]。钛合金充氢后结构和组织的变化，将对其力学性能带来了显著的影响。
图3为标称氢含量0.1%样品横截面SEM二次电子相照片。其中图3(a）为试样与氢接触的表面及过渡区域，图3(b）、（c）和（d）分别为该样品表面区域、过渡区域及芯部区域的高倍组织照片。由图3(a）可见，其显微组织随着表面向芯部深入而变化。由于氢在Ti合金中扩散速度较慢，表面氢含量较高，氢大量富集导致组织中形成了条形和针状组织。而在式样芯部由于其氢含量极低（接近未充氢样品），其显微组织仍然保留为黑色α相基体和颗粒状白色β相。图3(c）为表面组织和芯部组织的过渡区域，其组织为白色β相颗粒与针状组织的复合形态。SEM实验结合XRD结果表明，TC4合金经化学充氢后，试样表面组织由于双相比例的变化和TiH2化合物的析出，与基体组织产生了明显的区别。液态充氢TC4钛合金与高温置氢TC4钛合金表现出类似的组织形貌演变情况，氢导致共析产物和马氏体相的形成[14]。钛合金充氢后结构和组织的变化，将对其力学性能带来了显著的影响。2.2 氢对机械性能的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合环形气瓶爆裂原因分析[J]. 燕翔,刘礼军,姜涛. 失效分析与预防. 2018(06)
[2]Ti-6Al-4V钛合金组织对其室温吸氢行为的影响[J]. 刘松,王寅岗,孙胜. 稀有金属材料与工程. 2017(08)
[3]热氢化处理对等轴晶α+β相钛合金组织与性能的影响[J]. 解璟昊,宋扬,舒圣诚. 材料保护. 2017(01)
[4]氢对钛合金组织及加工性能的影响[J]. 戚运莲,洪权,卢亚锋,曾立英,杜宇,刘伟,郭萍. 钛工业进展. 2010(06)
[5]氢对钛合金的影响[J]. 杨彦涛,王禹华,张永洋. 材料开发与应用. 2009(01)
[6]置氢Ti-6Al-4V合金组织与室温变形行为的相关性[J]. 李晓华,孙中刚,侯红亮,王耀奇,李志强. 北京科技大学学报. 2008(08)
[7]分级加载试验评定氢脆敏感性研究[J]. 李西颜,刘春立,王晓薇,张涛. 宇航材料工艺. 2007(06)
[8]钛及其合金氢脆研究现状与应用[J]. 杨长江,梁成浩,王华. 腐蚀科学与防护技术. 2006(02)
[9]氢对两种新型钛合金强度和塑性的影响[J]. 何晓,沈保罗,曹建玲,邱绍宇,邹红. 稀有金属材料与工程. 2003(05)
[10]氢对Ti-Al-V钛合金的冲击韧性及组织的影响[J]. 李远睿,黄本多,何庆兵. 重庆大学学报(自然科学版). 2003(02)
博士论文
[1]氢在TC4钛合金扩散连接中的作用机理研究[D]. 刘宏.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3613535
【文章来源】：有色金属工程. 2020,10(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
TC4不同氢含量下表面结构的XRD图谱
图2为充氢TC4合金由表面至机械磨抛至不同深度处的XRD图谱。其中，图2(a）为标称氢含量0.012 5%实验样品。由图2可见，充氢后式样表面结构为α、β相及γ-TiH2钛氢化合物。当式样表面被磨抛一定厚度（36μm）后，XRD图谱中γ-TiH2钛氢化合物对应的衍射峰强度变得非常微弱，在该位置处合金的主要结构为α、β相。这种变化趋势在56μm更加明显，通过XRD几乎观察不到该深度位置处的γ-TiH2钛氢化合物衍射峰。对于标称氢含量分别为0.012 5%、0.05%、0.1%的式样，其表面分别机械去除56、60、79、83μm表层后，氢化物层对应的衍射峰几乎无法通过XRD清晰分辨，表明在该深度处γ-TiH2钛氢化合物含量非常低。通过图1和图2的结果可以判断，TC4钛合金在不同的充氢工艺条件下，从未充氢的α+β双相结构变为α+β+γ-TiH2三相结构[13]。同时，由于H在钛合金中的扩散速度极慢[5]，这些H与Ti形成γ-TiH2钛氢化合物后在距表面一定深度处富集，很难迅速扩散到合金更深处位置。即使通过改变充氢工艺参数大幅度提高氢含量，钛氢化合物也仅富集在钛合金的浅表层（小于100μm）。当把浅表层合金去除后，TC4合金仍保持了α+β双相结构。图3为标称氢含量0.1%样品横截面SEM二次电子相照片。其中图3(a）为试样与氢接触的表面及过渡区域，图3(b）、（c）和（d）分别为该样品表面区域、过渡区域及芯部区域的高倍组织照片。由图3(a）可见，其显微组织随着表面向芯部深入而变化。由于氢在Ti合金中扩散速度较慢，表面氢含量较高，氢大量富集导致组织中形成了条形和针状组织。而在式样芯部由于其氢含量极低（接近未充氢样品），其显微组织仍然保留为黑色α相基体和颗粒状白色β相。图3(c）为表面组织和芯部组织的过渡区域，其组织为白色β相颗粒与针状组织的复合形态。SEM实验结合XRD结果表明，TC4合金经化学充氢后，试样表面组织由于双相比例的变化和TiH2化合物的析出，与基体组织产生了明显的区别。液态充氢TC4钛合金与高温置氢TC4钛合金表现出类似的组织形貌演变情况，氢导致共析产物和马氏体相的形成[14]。钛合金充氢后结构和组织的变化，将对其力学性能带来了显著的影响。
图3为标称氢含量0.1%样品横截面SEM二次电子相照片。其中图3(a）为试样与氢接触的表面及过渡区域，图3(b）、（c）和（d）分别为该样品表面区域、过渡区域及芯部区域的高倍组织照片。由图3(a）可见，其显微组织随着表面向芯部深入而变化。由于氢在Ti合金中扩散速度较慢，表面氢含量较高，氢大量富集导致组织中形成了条形和针状组织。而在式样芯部由于其氢含量极低（接近未充氢样品），其显微组织仍然保留为黑色α相基体和颗粒状白色β相。图3(c）为表面组织和芯部组织的过渡区域，其组织为白色β相颗粒与针状组织的复合形态。SEM实验结合XRD结果表明，TC4合金经化学充氢后，试样表面组织由于双相比例的变化和TiH2化合物的析出，与基体组织产生了明显的区别。液态充氢TC4钛合金与高温置氢TC4钛合金表现出类似的组织形貌演变情况，氢导致共析产物和马氏体相的形成[14]。钛合金充氢后结构和组织的变化，将对其力学性能带来了显著的影响。2.2 氢对机械性能的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合环形气瓶爆裂原因分析[J]. 燕翔,刘礼军,姜涛. 失效分析与预防. 2018(06)
[2]Ti-6Al-4V钛合金组织对其室温吸氢行为的影响[J]. 刘松,王寅岗,孙胜. 稀有金属材料与工程. 2017(08)
[3]热氢化处理对等轴晶α+β相钛合金组织与性能的影响[J]. 解璟昊,宋扬,舒圣诚. 材料保护. 2017(01)
[4]氢对钛合金组织及加工性能的影响[J]. 戚运莲,洪权,卢亚锋,曾立英,杜宇,刘伟,郭萍. 钛工业进展. 2010(06)
[5]氢对钛合金的影响[J]. 杨彦涛,王禹华,张永洋. 材料开发与应用. 2009(01)
[6]置氢Ti-6Al-4V合金组织与室温变形行为的相关性[J]. 李晓华,孙中刚,侯红亮,王耀奇,李志强. 北京科技大学学报. 2008(08)
[7]分级加载试验评定氢脆敏感性研究[J]. 李西颜,刘春立,王晓薇,张涛. 宇航材料工艺. 2007(06)
[8]钛及其合金氢脆研究现状与应用[J]. 杨长江,梁成浩,王华. 腐蚀科学与防护技术. 2006(02)
[9]氢对两种新型钛合金强度和塑性的影响[J]. 何晓,沈保罗,曹建玲,邱绍宇,邹红. 稀有金属材料与工程. 2003(05)
[10]氢对Ti-Al-V钛合金的冲击韧性及组织的影响[J]. 李远睿,黄本多,何庆兵. 重庆大学学报(自然科学版). 2003(02)
博士论文
[1]氢在TC4钛合金扩散连接中的作用机理研究[D]. 刘宏.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3613535
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