热氢处理对钛合金组织演变及高温变形行为的影响

论文摘要

钛合金加工成形比较困难,使得加工过程的制造成本过高,在一定程度上限制了其应用。钛合金热氢处理技术,它通过氢的可逆合金化作用,将氢作为临时性元素加入到钛合金中,可以达到改善钛合金工艺性能的目的。热氢处理技术的应用,能够解决钛合金高温下的氧化和难成形问题,从而可以大大降低钛合金的加工成本,在一定程度上将促进钛合金,尤其是高温钛合金的扩大应用。本文介绍了前人在热氢处理理论方面的研究成果,重点综述了近年来有关热氢处理对钛合金微观组织和力学性能影响方面的理论和试验研究进展。在此基础上,本文以Ti6Al4V和Ti600合金为研究对象,系统研究了钛合金热氢处理后的组织演变及高温变形行为,分析了钛氢化物生成的热力学过程,建立了钛合金动态再结晶过程的元胞自动机模型,取得的研究成果如下:（1）研究了热氢处理对Ti6Al4V合金组织结构、微观缺陷及显微硬度的影响。通过显微组织观察及物相分析等手段,研究了Ti6Al4V合金热氢处理后的组织演变规律,用正电子湮没方法分析了氢含量对微观缺陷数量及类型变化的影响,通过显微硬度测试研究了置氢对显微硬度的影响,利用电子探针研究了置氢对合金元素扩散的影响。研究结果表明:Ti6Al4V合金置氢后,当氢含量达到0.3%时,发现了面心立方结构的δ氢化物。在α相和β相中均能析出δ,当氢化物在β相析出时,δ与β具有以下取向关系:[011]δ//[012]β,（02（?））δ//（200）β。Ti6Al4V合金置氢后,Al、V等合金元素在合金中获得了重新分布。随着氢含量的增加,Ti6Al4V合金的缺陷类型由“空位+位错”逐渐过渡为位错;Ti6Al4V合金内部的缺陷数量,置氢0.1%后显著降低,之后,随着氢含量的增加又逐渐增加。Ti6Al4V合金置氢后,Al、V等合金元素在合金中获得了重新分布。α相和β相的硬度均随着氢含量的增加而升高,在相同氢含量条件下,β相的硬度高于δ相的硬度。置氢Ti6Al4V合金经真空除氢处理后,原始α晶界消失,β相变得细小、破碎,原轧制态组织获得了细化。细化组织的获得是相变和再结晶两种机制共同作用的结果。（2）研究了热氢处理对Ti600合金组织演变及宏观硬度的影响。通过显微组织观察及物相分析等手段,研究了Ti600合金置氢后的组织演变规律,分析了氢含量对硅化物析出规律的影响,通过宏观硬度测试研究了置氢对Ti600合金宏观硬度的影响。研究结果表明:Ti600合金置氢后,在氢含量为0.35%和0.5%的试样中均发现有面心立方结构的δ氢化物析出,并且,随着氢含量的增加,氢化物趋于细化。热氢处理后,在基体中析出具有四方结构的硅化物粒子S3（0.35%H）和六方结构的硅化物粒子S1（0.5%H）。热氢处理能显著提高Ti600合金的硬度,随着氢含量的增加,其硬度值升高。氢化物、硅化物粒子、晶格缺陷以及马氏体α′的存在是导致硬度升高的主要因素。（3）计算了钛氢化物生成的热力学函数。采用修正的Miedema生成热模型,计算了钛氢化物TiHx（1≤x≤2）的标准焓变;采用统计热力学的方法,计算了TiH2生成的标准熵变,分析了TiH2生成的热力学过程。计算结果表明:TiHx的标准焓变值随着x的增加呈线性关系减小。T=298K时,计算得到的TiH2生成的标准焓变、熵变及Gibbs自由能分别为-137.46kJ·mol-1、-143.0J·mol-1·K-1和-94.85kJ·mol-1。当温度低于925K时,反应Ti（s）+H2（g）→TiH2（s）倾向于自发进行,而温度高于925K时,反应将朝相反方向进行。随着温度的升高,TiH2的平衡氢压逐渐升高,其稳定性逐渐降低。（4）通过热模拟试验研究了Ti600合金热氢处理后的高温变形行为,通过显微组织观察研究了高温变形后的组织演变规律,分析了氢致Ti600合金的高温改性机理。结果表明:氢含量小于0.3%时,Ti600合金高温变形时的流变应力、应变硬化率及应变能密度均随着氢含量的增加而减小。从流变应力角度考虑,0.3%的氢可以降低Ti600合会热压缩温度至少80℃,或提高应变速率约2个数量级。氢含量一定时,Ti600合金的变形激活能随着应变的增加而逐渐降低。真应变为0.6时,Ti600合金未置氢及置氢0.1%、0.3%和0.5%后的变形激活能分别为648.4、459.0、324.3和420.0kJ·mol-1。氢含量处于0～0.3%范围内时,氢含量越低,变形激活能越小。（5）建立了置氢Ti600合金高温变形的本构关系。为消除多重共线性对回归模型的影响,通过共线性诊断、变量筛选等过程合理地选取了影响Ti600合金流变应力的“最优”自变量子集。然后,采用偏最小二乘法分别建立了氢含量为0、0.3%和0.5%时Ti600合金高温变形时的本构关系。（6）应用元胞自动机方法模拟了Ti6Al4V合金在β单相区的动态再结晶过程,并分析了组织演变过程的动力学特征。模拟结果表明:在应变速率一定的情况下,动态再结晶分数随着应变的增加而显著增加。当应变量足够时,应变速率越大,得到的动态再结晶晶粒尺寸越细小,动态再结晶越不充分。动态再结晶过程的动力学分析表明:动态再结晶过程中同时存在恒定速率形核和位置过饱和形核两种形核方式。Avrami指数介于2.4～2.9之间,且Avrami指数随着应变速率的增加而升高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金热氢处理技术
• 1.2.1 热氢处理的概念
• 1.2.2 热氢处理的基本原理
• 1.2.3 热氢处理工艺的种类
• 1.3 氢在钛合金中的特性
• 1.3.1 氢在钛合金中的溶解
• 1.3.2 氢在钛合金中的扩散
• 1.3.3 氢在钛合金中的存在状态
• 1.3.4 钛合金中的氢化物
• 1.4 热氢处理对钛合金微观组织的影响
• 1.5 热氢处理对钛合金力学性能的影响
• 1.5.1 热氢处理对高温塑性的影响
• 1.5.2 热氢处理对超塑性的影响
• 1.5.3 热氢处理对疲劳性能的影响
• 1.5.4 热氢处理对强度和硬度的影响
• 1.6 本课题的研究背景、内容和技术方案
• 1.6.1 研究背景
• 1.6.2 研究内容和技术方案
• 本章参考文献
• 第二章 热氢处理后的组织结构、微观缺陷及硬度研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料与方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 置氢工艺
• 2.2.3 除氢工艺
• 2.2.4 热处理工艺
• 2.2.5 组织结构分析
• 2.2.6 微观缺陷分析
• 2.2.7 微区成分检测
• 2.2.8 硬度测试
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 置氢Ti6Al4V合金
• 2.3.1.1 室温组织分析
• 2.3.1.2 物相分析
• 2.3.1.3 氢化物及其形成机制
• 2.3.1.4 微观缺陷分析
• 2.3.1.5 微区成分分析
• 2.3.1.6 显微硬度及其变化机理
• 2.3.2 真空除氢
• 2.3.2.1 组织演变分析
• 2.3.2.2 组织细化机制
• 2.3.3 置氢Ti600钛合金
• 2.3.3.1 物相分析
• 2.3.3.2 组织演变分析
• 2.3.3.3 宏观硬度及其变化机理
• 2.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 钛氢化物生成的热力学函数计算
• 3.1 引言
• 3.2 热力学函数
• 3.3 钛氢化物的热力学模型
• 3.3.1 钛氢化物标准焓变模型
• 3.3.1.1 Miedema生成热模型
• 3.3.1.2 钛氢化物标准焓变模型
• 3.3.2 钛氢化物标准熵变模型
• 3.4 热力学参数的计算
• 3.4.1 标准焓变的计算
• 3.4.2 标准熵变的计算
• 3.4.3 自由能及平衡氢压的计算
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 热氢处理后的高温变形行为及组织演变
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料与方法
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 热氢处理后的高温变形行为
• 4.3.1.1 氢对流变应力的影响
• 4.3.1.2 氢对应变硬化率的影响
• 4.3.1.3 氢对应变能密度的影响
• 4.3.1.4 氢对变形激活能的影响
• 4.3.2 热氢处理后的组织演变
• 4.3.3 氢致高温改性机理
• 4.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 热氢处理后的本构关系研究
• 5.1 引言
• 5.2 建立本构关系的思路及算法
• 5.2.1 多元线性回归模型
• 5.2.2 共线性诊断
• 5.2.3 变量筛选
• 5.2.4 回归分析
• 5.3 本构关系的建立
• 5.3.1 未置氢时的本构关系
• 5.3.2 氢含量为0.3%和0.5%时的本构关
• 5.4 本构关系的检验与评估
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 动态再结晶过程的元胞自动机模拟
• 6.1 引言
• 6.2 元胞自动机方法
• 6.2.1 元胞自动机的定义
• 6.2.2 元胞自动机的构成
• 6.2.2.1 元胞
• 6.2.2.2 元胞空间
• 6.2.2.3 邻居类型
• 6.2.2.4 演化规则
• 6.2.3 元胞自动机的特征
• 6.2.4 元胞自动机的应用
• 6.3 动态再结晶过程的元胞自动机模型
• 6.3.1 模型描述
• 6.3.2 位错密度模型
• 6.3.3 形核模型
• 6.3.4 晶粒长大模型
• 6.3.5 动态再结晶分数模型
• 6.4 模拟结果与分析
• 6.4.1 动态再结晶过程的组织演变分析
• 6.4.2 动态再结晶过程的动力学分析
• 6.5 本章小结及展望
• 本章参考文献
• 第七章 结论
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 作者简介