TC21合金热氢处理及室温变形行为研究

发布时间：2017-09-06 00:40

  本文关键词：TC21合金热氢处理及室温变形行为研究

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【摘要】：TC21合金是我国新开发的一种高强、高韧和高损伤容限钛合金,其综合力学性能匹配较好,适用于大型航空构件。同大多数钛合金一样,TC21合金热变形温度高,冷变形易开裂,流动应力大,加工困难。钛合金的热氢处理技术是把氢作为一种临时合金元素,利用氢致塑性、氢致相变以及氢在钛合金中的可逆合金化等作用,来改善钛合金的显微组织和加工性能。但是由于对氢致室温塑性理论研究上的不足,使得用热氢处理来改善钛合金室温成形性能的技术仍然难以进入实际应用。本文针对这些问题,进行了深入研究。本文基于TC21合金的热氢处理实验和室温压缩实验,采用现代材料分析测试方法,深入研究了氢作为临时合金元素对TC21合金的吸氢特性、组织演变和室温力学性能的影响,讨论了δ氢化物的形成机制,揭示了置氢TC21合金室温增塑机理,制定了利于TC21合金室温塑性成形的最佳置氢处理工艺和成形工艺条件,并对置氢TC21合金进行了除氢实验,制定了最佳除氢处理工艺。结果显示：氢化温度对TC21合金的吸氢特性和组织演变有显著影响。在相同的初始氢压下,当氢化温度为600℃时,合金的初始吸氢速率和最终吸氢量最大。在合金中添加0.68wt.%的氢后,β相变点降至750℃以下,但仍高于650℃。针状的δ氢化物和细小的α_2析出相出现在经550℃氢化的合金中,而大量片状的δ氢化物出现在经650℃氢化的合金中,而经750℃氢化的合金中几乎都是p相。经750℃置氢后,TC21合金中出现了α'马氏体和δ氢化物,随着氢含量的增加,α相和α'马氏体的数量逐渐减少,而p相和δ氢化物的数量逐渐增多,6氢化物先是沿着晶界/相界分布,随后在β相内和晶内形成。置氢TC21合金的室温压缩性能与不同相的比例和氢的存在形式强烈相关,当氢含量介于0.6-0.9wt.%时,合金中α相和α'马氏体的数量较少,韧性较好的p相成为主要相,并且大量氢原子固溶在p相中,少量δ氢化物散落在晶界/相界处,合金的室温塑性得到了明显提高。压缩速度对置氢TC21合金的室温压缩性能有显著影响,低速压缩下,TC21-0.9H合金的极限压缩率增幅超过30%,快速压缩下,机械能转变为内能,逆共析反应导致晶界/相界处的δ氢化物溶解,TC21-0.9H合金的极限变形率增幅超过100%。合适的氢含量不仅能够增加TC21合金的室温塑性,而且也能降低合金塑性变形过程中的流动应力,压缩实验下TC21-0.9H合金的流动应力在塑性变形阶段降低了150-240MPa。热分析实验结果显示,当加热温度低于500℃时,置氢TC21合金中没有明显的相变；当加热温度超过500℃时,置氢合金中的含氢亚稳相开始分解,且当加热温度介于500℃至700℃时,合金失重速率最大。置氢TC21在750℃除氢4h后,或者在800℃除氢2h后,合金中的氢得以除尽,但合金在750℃除氢时,其显微组织细化效果最好,合金的屈服强度、抗压强度和显微硬度增加,而极限压缩率下降。根据以上实验结果,确定了利于TC21合金室温塑性成形的最佳置氢处理工艺和成形工艺条件,TC21合金的氢化温度至少为750℃,最佳氢含量为0.9wt.%,快速成形时,置氢TC21合金室温成形性能更好;确定了置氢TC21合金的除氢规范,置氢TC21合金在750℃除氢,除氢保温时间为4h。
【关键词】：TC21合金 热氢处理 显微组织 力学性能 增塑机理
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.23
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-18
• 第一章 绪论18-24
• 1.1 引言18-19
• 1.2 钛及其合金19-21
• 1.2.1 钛及其合金的特性和应用19-20
• 1.2.2 钛合金的分类和国内外发展趋势20-21
• 1.3 钛合金的加工难点21
• 1.4 钛合金的热氢处理技术21-22
• 1.4.1 热氢处理技术概况21-22
• 1.4.2 钛合金氢致塑性的研究现状22
• 1.5 本课题的主要研究内容22-24
• 第二章 实验材料和研究方法24-30
• 2.1 实验材料24
• 2.2 热氢处理实验24-26
• 2.2.1 置氢处理实验24-25
• 2.2.2 除氢处理实验25-26
• 2.3 组织和结构表征方法26-27
• 2.3.1 光学金相显微镜26
• 2.3.2 X射线衍射(XRD)26
• 2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)26
• 2.3.4 透射电子显微镜(TEM)26-27
• 2.3.5 热分析(TA)27
• 2.4 力学性能测试方法27-30
• 2.4.1 室温压缩实验27-29
• 2.4.2 等温压缩实验29
• 2.4.3 维氏硬度实验29-30
• 第三章 TC21合金的置氢处理工艺研究30-48
• 3.1 引言30
• 3.2 氢化温度对TC21合金吸氢特性的影响30-35
• 3.2.1 不同温度下氢压与保温时间的关系30-31
• 3.2.2 氢化温度对TC21合金吸氢速率的影响31-32
• 3.2.3 氢化温度对TC21合金吸氢量的影响32-33
• 3.2.4 氢化温度对TC21合金吸氢动力学的影响33-35
• 3.3 氢化温度对TC21合金室温组织的影响35-41
• 3.3.1 光学显微组织分析35-36
• 3.3.2 X射线衍射物相分析36-37
• 3.3.3 透射电镜组织分析37-40
• 3.3.4 氢化物形成机制的讨论40-41
• 3.3.5 确定利于TC21合金室温变形的氢化温度41
• 3.4 保温时间对TC21合金吸氢特性和室温组织的影响41-46
• 3.4.1 相同温度下氢压与保温时间的关系41-42
• 3.4.2 相同温度下吸氢量与保温时间的关系42
• 3.4.3 相同温度下保温时间对TC21合金室温组织的影响42-44
• 3.4.4 TC21合金内部的氢扩散规律44-45
• 3.4.5 确定TC21合金置氢处理的保温时间45-46
• 3.5 平衡氢压对TC21合金吸氢量的影响46
• 3.6 本章小结46-48
• 第四章 TC21-xH合金室温组织研究48-54
• 4.1 引言48
• 4.2 氢含量对TC21合金室温显微组织的影响48-53
• 4.2.1 光学显微组织演变48-49
• 4.2.2 X射线衍射结果分析49-51
• 4.2.3 透射电镜结果分析51-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第五章 TC21-xH合金室温变形行为研究54-65
• 5.1 引言54
• 5.2 氢含量对TC21合金室温慢速压缩性能的影响54-56
• 5.3 压缩变形后TC21-xH合金的断口形貌观察56-58
• 5.4 氢含量对TC21合金室温快速压缩性能的影响58-61
• 5.4.1 TC21-xH合金室温快速压缩过程中的动态再结晶现象58-61
• 5.4.2 TC21-0.9H合金等温压缩实验验证61
• 5.5 氢对TC21合金显微硬度的影响61-62
• 5.6 氢致TC21合金室温增塑机理62-63
• 5.7 确定最佳氢含量及成形工艺参数63
• 5.8 本章小结63-65
• 第六章 TC21-xH合金的除氢处理工艺研究65-69
• 6.1 引言65
• 6.2 TC21-xH合金热分析65-66
• 6.3 除氢温度和保温时间对TC21合金室温组织的影响66-68
• 6.4 确定除氢规范68
• 6.5 本章小结68-69
• 第七章 除氢TC21合金的室温组织及其室温力学性能研究69-74
• 7.1 引言69
• 7.2 原氢含量对除氢TC21合金的室温组织的影响69-71
• 7.3 原氢含量对除氢TC21合金的室温力学性能的影响71-73
• 7.4 本章小结73-74
• 第八章 结论与展望74-77
• 8.1 主要结论74-75
• 8.2 工作展望75-77
• 参考文献77-82
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 宗影影;黄树晖;罗永胜;单德彬;郭斌;;置氢TC4钛合金等温锻造叶片组织演变规律[J];哈尔滨工业大学学报;2010年07期

2 赵永庆;;国内外钛合金研究的发展现状及趋势[J];中国材料进展;2010年05期

3 侯红亮,李志强,王亚军,关桥;钛合金热氢处理技术及其应用前景[J];中国有色金属学报;2003年03期

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本文编号：801194