Ti40合金吸放氢后的组织演变规律

(西华大学材料科学与工程学院，四川 成都 610039)

Ti40阻燃合金[1]是一种新型高稳定β钛合金，其名义成分为Ti-25V-15Cr-0.2Si。该合金具有良好的阻燃性能和室温塑性，可用于发动机部件；但该合金因含有大量的合金元素V，使合金高温加热锻造时严重氧化，这是其高温塑性较差的原因之一[2]。热加工困难成为Ti40合金应用的最大阻碍。近年来，利用氢在钛合金中的可逆性，研究者们把氢作为一种临时合金元素来改善钛合金的加工性、高温性能、超塑性能等[3-7]。W.J. He等[8]研究了氢含量对Ti40合金在高温下的硬化与软化，研究表明，由于氢的固溶与新相的析出，Ti40合金的流变应力随着氢含量的增加而先增大后减小。张学敏等[9-10]研究了氢对Ti40合金的拉伸性能和超塑性的影响，研究表明，随着氢含量的增加，其拉伸强度先增加后减小，对于其超塑性，在氢的质量分数为0.3%的情况下得到最大的拉伸量，而且氢还细化了Ti40合金在超塑变形时的晶粒。因此，氢在一定程度下可改善Ti40合金的高温加工性能。

为了能更好地研究氢对Ti40合金性能的影响，需研究氢对Ti40合金微观组织和相的影响。本文主要研究氢对Ti40合金的组织和析出相的影响规律，为进一步研究氢在Ti40合金中的作用提供参考。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验材料为西北有色金属研究院提供的β型Ti40阻燃合金，合金材料名义成分为Ti-15Cr-25V-0.2Si, 试验材料按名义成分配料，经过2次真空自耗电弧炉熔炼成铸锭，开坯及α+β两相区锻造成φ20 mm的圆棒，然后进行退火处理,处理工艺为850 ℃/1 h+AC。

1.2 试验方法

钛合金吸氢与放氢试验采用L2210Ⅱ/ZM型管式氢处理炉，如图1所示。

1—氢气入气口；2 —氩气入气口；3 —氢气阀；4 —氮气阀；5— 进气阀；6 —放空阀；7 —安全阀；8 —直联泵；9 —分子泵；10 —高真空阀；11— 隔离阀；12 —电离规；13 —电阻规；14—加热阀

图1 L2210Ⅱ/ZM型管式氢处理炉简图

吸氢与放氢试验前，首先对试样表面进行处理，保证试样表面不受污染。合金吸放氢温度为750 ℃。试样吸氢与放氢后，用ME235S分析天平(精度为10-5)测定试样试验前后的质量，利用质量差计算钛合金中的氢含量。

采用金相显微镜(OLYMPUS-BX41M)观察金相试样组织形貌，其腐蚀液为HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶10(体积比)；用RINT2100型X射线衍射仪进行物像分析，条件为：Cu-Kα靶(λ=1.540 6)，电压40 kV，电流20 mA；扫描参数为0.006(°)/step；扫描范围为30°～80°；在维氏硬度计上(型号为MVS-1000JM2T)，采用金相试样测试其硬度；透射电镜观察在JEM-3010型高分辨电子显微镜上进行，采用双喷电解抛光技术减薄，双喷电解液为HClO4∶C4H9OH∶CH3OH=6∶34∶60(体积比)。

2 试验结果

2.1 Ti40合金吸氢后的组织演变

图2为Ti40合金吸氢前后的XRD衍射图谱。原始态的Ti40合金只含有β相，但与标准卡片相比，β相衍射峰的位置向高角度移动。根据布拉格方程，β相的晶格常数a=0.315 7 nm，晶胞体积V=31.468 7×10-3nm3，与标准卡片值0.330 6 nm和36.15×10-3nm3相比，晶格常数减小了0.149 nm，晶胞体积减小了4.6813×10-3nm3，这主要因为作为置换原子的合金元素V、Cr、Si的原子半径小于Ti的原子半径。当合金中氢的质量分数较低时(0.233%)，没有出现新的衍射峰，说明合金仍然只有β相；但β相衍射峰的强度降低，衍射峰向低角度移动，而且β相的晶格常数和晶胞体积略有增加，如图3所示。这主要是因为氢作为间隙原子固溶于β相的间隙位置，使晶格发生膨胀，晶面间距增加。当合金中氢的质量分数为0.634%时，XRD衍射图谱发生很大变化，不仅β相衍射峰的位置继续向低角度移动，还出现新的衍射峰。经标定，新的衍射峰为α相和Ti5Si3相。这与宗影影等[11]得到的结果一致，他们认为氢的加入降低了Si在β相中的固溶度，促进了硅化物粒子的析出。

图2 Ti40合金吸氢前后的XRD图谱

图3 氢对Ti40合金的β相的晶格常数和晶胞体积的影响

氢对Ti40合金显微组织的影响如图4所示。Ti40合金为β型钛合金，显微组织为粗大的单相β，如图4(a)所示。当加入的氢含量较低时，组织没有发生变化，仍为单相β(图4(b))，这与XRD的结果一致。随着氢含量的增加，β相晶界处开始加深变宽，这主要是因为晶界处缺陷较多，能量较大，易于聚集氢原子造成的，如图4(c)所示。当合金中氢的质量分数为0.634%时，氢原子不仅聚集于晶界等缺陷处，还固溶于β相内，使β相易于腐蚀而显灰色，如图4(d)所示。XRD衍射显示的析出相α相也易于腐蚀，且其尺寸很细小，所以，在金相显微组织图片中，仍然只能观察到β相。

(a)as-received one;

(b)0.233%;

(c)0.336%;

(d)0.634%

对氢的质量分数为0.634%的合金进行透射电镜观察，可发现大量细小片层析出物，如图5所示，其中析出的片层组织为α相。由图3可知，氢的加入使Ti40合金的晶格发生膨胀，晶体点阵发生畸变，并且其畸变程度随着氢含量的增加而增大。当晶体内的畸变能增加到一定值时，晶体结构变得不稳定，需要向稳定相转变。另外，氢的加入削弱了金属原子之间的键合作用，降低了结合能，使金属局部区域软化。根据金属原子之间的结合力和能量原则，Ti-Si之间的结合较弱，容易被打破而形成新的化合物来降低整个系统的能量。再者，氢的加入可降低Si在β相中的固溶度，并使其聚集在晶界处而形成硅化物。对于α相的析出机制，主要是因为β相结构不稳定，在降温过程中发生β→α转变。

(a, c) α phase; (b, d) Corresponding SEAD of α phase

图6为Ti40合金吸氢后合金硬度的变化曲线，可以看出，氢加入Ti40合金后，首先因氢原子固溶于β相间隙位置，造成间隙固溶强化，使合金硬度增加。当合金中的氢含量较高时，合金中析出了片层α相，大大降低了由固溶氢引起的畸变能，合金硬度减小。

图6 Ti40合金吸氢前后的显微硬度

2.2 Ti40合金放氢组织演变

随着氢的加入，钛合金的显微组织发生很大的变化，同时还伴随着新相的析出和α、β相含量、形态和分布的改变，从而达到改善钛合金高温加工性能的目的。当钛合金服役时，需要进行真空退火放氢，而退火后的显微组织将影响钛合金的性能。

吸氢Ti40合金放氢后的XRD衍射图如图7所示。结果表明，放氢后Ti40合金中除了β相外，还有少量的硅化物粒子。β相衍射峰位置和相对峰强度与原始Ti40合金相似，其晶格常a=0.316 17 nm，V=31.606 08 nm3。

图7 Ti40合金放氢后的XRD衍射图谱

图8为吸氢Ti40合金放氢后的显微组织，可知其显微组织仍为大块β相，与原始组织一致。XRD衍射和微观组织分析表明，Ti40合金放氢后其微观组织不存在任何显微缺陷，不会影响合金的力学性能。

图8 吸氢Ti40合金放氢后的显微组织

2.3 Ti40合金吸氢与放氢过程组织演变规律

氢在钛合金α相和β相中的极限溶解度存在很大的差别，对α相和β相的相变影响也不同。对于不同类型的钛合金，初始状态的显微组织结构不同，氢处理过程中组织变化规律也存在差异。β型Ti40合金在吸氢与放氢过程中组织的演变规律如图9所示。

图9 Ti40合金吸氢与放氢后的组织演变

对于Ti40合金，氢的加入降低了Si在合金中的固溶度，并削弱了Si与Ti之间金属键的键和作用，降低结合力，促进了硅化物粒子的形成，并且晶界处原子排列不规则，使得氢原子与硅原子等易于聚集，在晶界处形核，析出硅化物；而氢的聚集则使晶界更易于腐蚀。当氢含量较高时，β相发生严重畸变，系统能量升高，在降温过程中，析出α相。Ti40合金在吸氢与放氢过程中的相变过程如下：β→βH→α+Ti5Si3+βH→β+ Ti5Si3(少量)。

3 结论

1)对于Ti40合金，由于氢的加入，改变了合金元素的分布，使硅、氢等聚集在晶界附近，易于腐蚀，晶界表现为晶界的加深宽化。当氢含量较高时，β相内开始析出α相，并发现了硅化物粒子。

2)吸氢Ti40合金放氢后，合金中的相与原始合金一致。

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