TC21 合金經氫處理后的微觀組織

王楊

（安徽三聯學院機械工程學院，安徽 合肥230601）

1 概述

鈦合金有著廣泛的用途,例如醫療、航空、機械設備等,其中在醫療生物方面,鈦合金應用于人造骨,鈦合金心臟起博器外殼以及人工關節等醫療方面已經取得很大進步；在航空領域方面,鈦合金可應用于航空艦船的熱交換器,深水設備的殼體等方面；在機械設備方面,可用于制造機械手表的零件制造；這些鈦合金應用給國內外的經濟成本效應帶來了節約, 提高了國內外人民的生活水平。但是在零件的加工方面鈦合金也存在一些弊端問題,首先當鈦合金處于室溫條件進行加工時,此時得到的鈦合金的的塑性比較低,其極限變性能力也較弱,所以這就會產生它的極限抗壓能力較大,而當經過高溫冷卻時零件容易發生開裂,這就需要我們在利用高溫冷卻時, 我們使用的溫度不能過高或者過低[1]；其次當鈦合金受熱溫度相對高,此時彈性應力相對大,這就大大導致了高溫下鈦合金內部自由原子活動自由低, 內部原子速率低,從而使用鈦合金的使用效率有所降低[2]；因此當再次要想實現工藝的高溫保護也就很困難,而且費用也會很高；因此鈦合金在進行熱加工時要求對模具材料和工藝材料要求也很高,同時要求其模具和工藝材料能夠在900℃以上時仍然具有很高的強度,這給模具的選擇和工裝材料的選擇帶來很大的困難,因此在有些模具和工藝材料上不得不使用國外進口的材料,這就產生了材料運輸中需要較長的時間和較高的費用等一系列問題。尤其是鈦合金在鑄件過程中還會產生較為粗大的魏氏組織的存在,這會導致鑄件力學相對較差,尤其還會有強度和韌性相對較低, 這就極大的限制了鈦合金鑄件在航空航天領域的綜合應用[3]。本文我們利用鈦合金的熱氫處理技術則是把氫作為一種臨時合金元素,利用氫來改變其塑性、使其產生相變等作用,從而來改善鈦合金的顯微組織和加工性能[4]。

鈦為同素異構體,具有兩種晶體結構。在純鈦中,當溫度低于882℃時,鈦呈密排立方晶體結構(HCP),稱為α-Ti；當溫度介于882℃至熔點1678℃時, 鈦為體心立方晶體結構(BCC), 稱為β-Ti。在鈦中添加適當的合金元素,可使其相變溫度和相成分比例發生改變,從而得到不同室溫組織的鈦合金。根據不同組織類型,通常可將鈦合金劃分為α 型、α+β 型和β 型,對應的國內前置代號分別為TA、TC 和TB。進一步細分,α 型鈦合金還可分為全α 合金和近α 合金；β 型鈦合金還可分為穩定β 合金、亞穩β 型合金和近β 合金。α 型鈦合金一般含有6%左右的Al 和少量中性元素, 退火后幾乎全為α 相；α+β 型鈦合金含有一定量的Al (6%以下)、不同含量的β 穩定元素和中性元素,退火后有不同比例的α 相和β 相；β 型鈦合金含有較多量的β 穩定元素,退火或者固溶處理后有大量的β 相[5]。相比β相,α 相具有較低的塑性,較高的加工硬化能力,更強的各向異性以及更高的抗蠕變性能。因此,一般情況下,α 型鈦合金耐腐蝕和耐氧化性能好,但室溫塑性低,變形抗力大；α+β 型鈦合金具有較好的綜合性能,并且可焊接性較好,但冷成型和冷加工能力同樣較差；β 型鈦合金室溫塑性較好,適合冷成型和冷加工。

氫是一種穩定的穩定間隙元素。在鈦和氫合金中,它具有很高的溶解度。同時,氫α 相在鈦中的溶解度在室溫下非常低,僅為0.002%～0.007%,但隨著溫度的升高,溶解度逐漸增加；其次,當β/α 轉變溫度降低時,作為高度穩定的元素,氫膨脹相,純鈦β轉變溫度區降低886℃。對于0.5%H 的TC21 合金,330℃可使β 轉變溫度從980℃降低到805℃[6]。

TC21 合金是我國新開發的一種高強度、高韌性的合金,我們可以利用這一特性對鈦合金進行加工和改善, 從而提高制造零件的使用性能和降低其加工成本。這一技術將降低社會的經濟成本,有良好的發展潛力,故其綜合力學性能匹配較好,適用于大型航空構件[7]。但它的室溫加工困難,例如,當我們是對鈦合金進行機械切削或者通過對其塑性成形時, 這會導致對鈦合金的加工過程較為困難, 這些會導致我們對現有設備進行鈦合金結構加工時,鈦合金的物理特性會有所下降,鈦合金鑄件的成本會有所增加,這些缺陷會限制鈦合金的實際的廣泛應用能力。本文基于TC21 合金的熱氫處理實驗, 研究了氫元素對TC21 合金的組織演變的影響。

2 處理實驗

實驗材料為TC21 合金棒材,原始直徑為30mm,經線切割,切取尺寸為φ4mm×6mm 的圓柱形試樣。試樣經過砂紙打磨,清洗,吹干,確保試樣表面無污染。利用高溫氣相充氫法對TC21 合金進行置氫處理。置氫處理實驗主要研究氫化溫度、保溫時間、氫壓等對TC21 合金微觀組織的影響規律, 總結利于置氫TC21合金冷塑性成形的氫化溫度。具體的實驗方案分為:通過控制初始氫壓為10.0kPa,在不同溫度下(550℃、600℃、650℃、750℃)分別對φ4mm×6mm 的試樣進行吸氫實驗, 保溫時間均為2h；試樣置氫前和置氫后都稱重,利用電子,

3 氫化溫度對TC21 合金室溫組織的影響

圖1 為原始TC21 合金及不同溫度下但含有相同氫含量的置氫合金的光學顯微組織。由圖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。吸氫后,不同溫度下氫化的TC21 合金的微觀組織變化明顯。

當氫化溫度不超過650℃時,合金中相的形狀和尺寸變化較小,但當氫化溫度達到750℃時,相的形狀和尺寸變化明顯,因為氫是β 相穩定元素,氫化時α 相慢慢地轉變成β 相。當氫化溫度到達750℃時,原有的α 相幾乎消失了。推出此合金加入氫元素后,相變溫度在650-750℃之間某一溫度。

圖1 原始TC21 合金及不同溫度下置氫合金的光學顯微組織

4 結論

從上述熱分析實驗對鈦合金室溫組織的影響可以看出,在低于650°C 的溫度下氫化時,TC21 合金相不會發生變化。氫是β相的穩定元素, 但是只有在以下情況下才會引發α→β 相變:當氫化溫度為650℃以上。由于鈦合金的塑性隨著β 相數的增加而提高,因此為了提高TC21 合金的室溫塑性,氫化溫度控制在750℃以上以提高溫度的塑性,此時的除氫保溫時間4h,此除氫工藝處理后,鈦合金的顯微組織能夠獲得最好的細化效果。對于其他鈦合金,此氫化溫度不一定適用。