一種提高tc21鈦合金室溫塑性的熱氫處理工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高TC21鈦合金室溫塑性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾十年來(lái)，一系列鈦基材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)。鈦及鈦合金具有低密度，高比強(qiáng)度，無(wú) 磁性，良好的耐腐蝕性和生物相容性等優(yōu)異特性，在航空，航天，兵器，汽車(chē)，船舶，化工，醫(yī) 療，體育等行業(yè)得到了高度重視和廣泛應(yīng)用。追溯鈦合金的發(fā)展歷史，鈦合金的開(kāi)發(fā)源于20 世紀(jì)50~60年代航空工業(yè)對(duì)新型高強(qiáng)度高比重材料的迫切需求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的高溫 鈦合金和機(jī)身骨架用的結(jié)構(gòu)鈦合金首先被開(kāi)發(fā)出來(lái)，70年代又出現(xiàn)了一批耐腐蝕鈦合金， 80年代以來(lái)，高溫鈦合金、耐腐蝕鈦合金以及高強(qiáng)鈦合金得到了進(jìn)一步發(fā)展。目前，已研制 出的鈦合金多達(dá)數(shù)百種，可以認(rèn)為，鈦基材料的科學(xué)研宄和實(shí)際應(yīng)用仍是材料領(lǐng)域的一大 熱點(diǎn)，并將持續(xù)數(shù)十年。
[0003] 然而相比各種鐵基、鋁基材料，鈦合金塑性加工困難，仍舊作為一種昂貴材料使 用。大多數(shù)鈦合金室溫塑性低，變形抗力大，而且變形極限低，容易開(kāi)裂，大大限制了鈦合 金的室溫成形。因此，目前大部分鈦合金需要在高溫下進(jìn)行塑性加工。但是，鈦合金在高 溫下變形對(duì)模具材料的要求比較高，要求模具在900°c以上仍具有足夠的強(qiáng)度，對(duì)成形設(shè) 備的可靠性要求也較高。此外，高溫下對(duì)原材料、系統(tǒng)以及工藝的保護(hù)也非常困難（參見(jiàn)： 侯紅亮，李志強(qiáng)，王亞軍，關(guān)橋.鈦合金熱氫處理技術(shù)及其應(yīng)用前景.中國(guó)有色金屬學(xué) 報(bào)，2003, 13(3) :533-549.)。這些都使得現(xiàn)有設(shè)備加工鈦合金結(jié)構(gòu)件的能力大大降低，使用 成本急劇增加，大大限制了鈦合金的實(shí)際應(yīng)用，特別是對(duì)于那些高強(qiáng)、高韌、高模量、耐高溫 的難變形鈦合金。因此，如何提高鈦合金的室溫塑性，使鈦合金可以室溫成型，是解決現(xiàn)有 問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵。
[0004] 目前已有報(bào)道利用熱氫處理工藝提高TC4鈦合金室溫塑性的方法是：首先 在TC4鈦合金中引入一定含量的氫，然后再進(jìn)行固溶淬火（參見(jiàn)：Yuan BG，Li CF，Yu HP,Sun DL. Influence of hydrogen content on tensile and compressive properties of Ti - 6A1 - 4V alloy at room temperature. Materials Science and Engineering A，2010, 527 (16) :4185-4190。趙玉賢，孫中剛，陳國(guó)清，王耀奇，周文龍，侯紅亮.氫對(duì) TC4鈦合金室溫變形行為的影響.稀有金屬，2009, 33(6) :774-778.)。單純的置氫并不能 提高TC4鈦合金的室溫塑性。鈦合金在高溫下極易氧化，且置氫鈦合金在高溫下存在氫逃 逸現(xiàn)象。因此，一般需要進(jìn)行固溶淬火的置氫鈦合金，往往要將其封裝在石英管中并抽高真 空，才能避免氧化和氫逃逸。對(duì)于小塊鈦合金，石英封裝以及隨后的固溶淬火操作簡(jiǎn)單，但 是對(duì)體積較大的合金，其封裝和熱處理操作難度較大。而且，由于不同種類(lèi)的鈦合金含有不 同的合金元素，使得材料性能差異顯著，因此這種提高室溫塑性的方法并不一定適用于其 他的鈦合金材料，提高不同材料性能的方法需要單獨(dú)摸索研宄。
[0005] TC21作為一種新興的鈦合金材料，是一種高強(qiáng)、高韌、高損傷容限鈦合金，名義成 分為T(mén)i6Al2M〇1.5Cr2Zr 2Sn2Nb，其綜合力學(xué)性能匹配較好，適用于大型航空構(gòu)件。類(lèi)似于其他 高強(qiáng)鈦合金，TC21鈦合金也存在室溫塑性差的問(wèn)題，且目前并沒(méi)有關(guān)于提高其室溫塑性的 研宄報(bào)道。
[0006] 因此，如何提高TC21鈦合金室溫塑性，從而改善其室溫加工性能，是本領(lǐng)域亟待 解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種提高TC21鈦合金室 溫塑性的方法。
[0008] 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案：
[0009] 本發(fā)明提高TC21鈦合金室溫塑性的熱氫處理工藝，其特點(diǎn)在于：將TC21試樣放入 管式爐的爐管內(nèi)，并在TC21試樣表面覆蓋一層鈦肩以防止TC21試樣被氧化，抽真空至爐管 內(nèi)真空度低于I X KT3Pa時(shí)開(kāi)始加熱爐管，升溫至750°C，然后向爐管內(nèi)通入氫氣，使?fàn)t管內(nèi) 氫壓穩(wěn)定在15~25kPa，保溫1~2h，將爐管從管式爐內(nèi)拉出，自然冷卻至室溫，取出爐管 內(nèi)的TC21試樣，即完成對(duì)TC21鈦合金室溫塑性的提高。
[0010] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0011] 本發(fā)明通過(guò)確定最佳的置氫溫度和氫含量范圍，改變TC21鈦合金中α相和β相 的比例，增加合金中塑性較好的β相的含量，從而使其室溫塑性得到改善。經(jīng)處理后，TC21 鈦合金在塑性變形過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力減小了 150 - 200MPa，極限變形率提高了 30%。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為原始TC21鈦合金和在不同溫度下氫化2小時(shí)后所得置氫合金的光學(xué)金相 組織：（a)原始TC21鈦合金；（b) 550°C下氫化的TC21鈦合金；（c) 650°C下氫化的TC21鈦合 金；（d)750°C下氫化的TC21鈦合金。
[0013] 圖2為原始TC21鈦合金和在不同溫度下氫化2小時(shí)后所得置氫合金的XRD圖譜： (8)原始1^21鈦合金；〇3)550°0下氫化的1^21鈦合金；（(：)650°0下氫化的1^21鈦合金 ；(d)750°C下氫化的TC21鈦合金。
[0014] 圖3為550°C氫化的TC21鈦合金的TEM圖像：（a) α基體組織；(b) α基體相應(yīng)的 SAED圖；（C)a相的暗場(chǎng)像，晶帶軸為[12?]; (d)a2相的暗場(chǎng)像，晶帶軸為(e) 晶界處的組織；（f)破碎的結(jié)構(gòu)。
[0015] 圖4為650°C氫化的TC21鈦合金的TEM圖像：（a) δ氫化物在β相中形成；(b) δ 氫化物和β相的SAED圖；（c) δ氫化物的暗場(chǎng)像；（d)更完整的組織。
[0016] 圖5為750°C下氫化的TC21鈦合金TEM圖像。
[0017] 圖6為750°C氫化的TC21鈦合金的光學(xué)金相組織：（a)0. 2wt. % H ; (b)0. 4wt. % H ; (c) 0· 6wt. % H ; (d) 1.0 wt. % Η。
[0018] 圖7為未氫化的TC21鈦合金和750°C氫化的TC21鈦合金的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線。
[0019] 圖8為T(mén)C21鈦合金在壓縮實(shí)驗(yàn)下測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。
[0020] 圖9為T(mén)C21鈦合金在壓縮實(shí)驗(yàn)下測(cè)得的極限變形率（a)和壓縮應(yīng)變（b)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明首先從氫處理工藝入手，選取不同的置氫溫度（550°C，650°C和750°C )，獲 得吸氫量相近的TC21鈦合金，研宄置氫溫度對(duì)TC21鈦合金微觀組織演變的影響規(guī)律，確定 一個(gè)最佳的置氫溫度。在此基礎(chǔ)上，在最佳溫度下置氫，獲得不同氫含量的置氫合金，利用 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)置氫TC21鈦合金進(jìn)行室溫壓縮實(shí)驗(yàn)，研宄氫含量對(duì)TC21鈦合金室溫力 學(xué)性能的影響規(guī)律，獲得有利于提高TC21鈦合金室溫塑性的最佳氫含量范圍。
[0022] 實(shí)驗(yàn)材料為T(mén)C21鈦合金棒材，直徑30mm。原始棒材經(jīng)線切割，切取尺寸為 〇4mmX6mm的圓柱形試樣，試樣經(jīng)過(guò)800#、1000#砂紙打磨，丙酮超聲波清洗，并吹干，確保 試樣表面無(wú)污染。
[0023] 置氫實(shí)驗(yàn)在管式氫處理爐中進(jìn)行，采用高溫氣相充氫法。先將TC21試樣放入管式 爐的爐管內(nèi)，并在TC21試樣表面覆蓋一層鈦肩以防止TC21試樣被氧化，通過(guò)真空設(shè)備將爐 管系統(tǒng)的真空度抽至IX l(T3Pa。然后，電阻爐以10°C /min的升溫速率從室溫開(kāi)始加熱，加 熱過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)的真空度低于2X KT3Pa,升至設(shè)定溫度后，關(guān)閉抽氣端閥門(mén)，快速充入高純 氫氣（99. 999%)，使?fàn)t管內(nèi)氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值，保溫1~2h。當(dāng)保溫時(shí)間結(jié)束，拉出爐管， 空冷至室溫。
[0024] 試樣中的實(shí)際氫含量通過(guò)置氫前后稱(chēng)重測(cè)得，設(shè)備為日本Shimadzu公司生產(chǎn)的 AUW220D型高精度電子天平（天平精度為IX I(T5g)。
[0025] 微觀組織分析主要依靠光學(xué)金相顯微鏡（OM)、X射線衍射儀（XRD)和透射電子 顯微鏡（TEM)等材料分析測(cè)試設(shè)備，旨在研宄置氫處理對(duì)TC21鈦合金微觀組織形貌、相組 成結(jié)構(gòu)及其含量等微觀組織的演變規(guī)律，并揭示其演變機(jī)理。OM實(shí)驗(yàn)在江南永新制造的 MR2000型金相顯微鏡上完成，XRD實(shí)驗(yàn)在Rigaku D制造的D/MAX2500V型X射線衍射儀上 進(jìn)行，TEM實(shí)驗(yàn)在Jeol制造的JEM-2100F型場(chǎng)發(fā)射透射電鏡上完成。
[0026] 力學(xué)性能測(cè)試在MTS公司生產(chǎn)的MTS809型材料試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，壓縮速率為 0.5mm/min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用凡士林涂抹在試樣端面以減小摩擦。鈦合金的塑形指標(biāo)以材 料發(fā)生屈服到發(fā)生破壞之間的應(yīng)變量來(lái)表示，定義為極限變形率：
[0027] ε = ( ε b- ε 〇 2) X100% (I)；
[0028] 式中：eb為材料發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)變，ε ^ 2為材料發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)變。
[0029] 綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合理論分析，揭示置氫TC21鈦合金室溫塑性變形的微觀機(jī) 理，確定有利于置氫TC21鈦合金室溫塑性變形的最佳氫處理工藝及冷塑性變形工藝參數(shù)。
[0030] 實(shí)施例1最佳置氫溫度的確定
[0031] 將三個(gè)TC21試樣分別放入管式爐的爐管內(nèi)，并在表面覆蓋一層鈦肩以防止TC21 試樣被氧化，抽真空至爐管內(nèi)真空度低于I X KT3Pa,分別升溫至550°C、650°C和750°C，然 后向爐管內(nèi)通入氫氣，使?fàn)t管內(nèi)氫壓分別穩(wěn)定在I. 5kPa、6. OkPa和16. 0kPa(不同溫度下， 所通入氫氣量與試樣吸氫量的關(guān)系不同，因此為保證試樣的吸氫量相近，不同溫度下通入 的氫氣量不同），保溫2h，將爐管從管式爐內(nèi)拉出，自然冷卻至室溫，取出爐管內(nèi)的TC21試 樣即完成。經(jīng)測(cè)試，三個(gè)試樣的氫含量分別為〇. 676wt. %、0. 687wt. %和0. 686wt. %。
[0032] I、金相組織分析
[0033] 圖1為原始TC21鈦合金和在不同溫度下氫化2小時(shí)所得含有相近氫含量的置氫 合金的金相組織（圖I (a)對(duì)應(yīng)原始TC21鈦合金，圖Ib對(duì)應(yīng)550°C下氫化的TC21鈦合金， 圖Ic對(duì)應(yīng)650°C下氫化的TC21鈦合金，圖I (d)對(duì)應(yīng)750°C下氫化的TC21鈦合金）?？梢?看出，原始TC21鈦合金是一種典型的雙態(tài)組織，包含白亮的α相