简介概要

置氢Ti-6Al-4V钛合金超塑性研究

来源期刊：稀有金属2009年第4期

论文作者：侯红亮白秉哲郭隆

关键词：Ti-6Al-4V(TC4); 热置氢技术; 超塑性成形;

摘要：通过采用Gleeble-1500D热模拟试验机进行超塑性变形试验,研究变形温度和应变速率对置氢TC4合金超塑变形性能的影响,利用XRD,SEM和TEM分析热氢处理改善钛合金超塑性能的机制.结果表明:置氢可降低超塑成形流变应力、变形温度,提高应变速率和m值;但只有适量的氢才有利于改善钛合金超塑性,即存在一个最佳置氢量;置氢0.35%H(质量分数)的TC4合金在800℃和3×10-3 s-1条件下仍有一定超塑性.分析表明,置氢钛合金超塑变形过程除晶粒转动和滑动机制外,位错滑移和孪生也作为辅助超塑变形机制.

稀有金属 2009,33(04),467-471

置氢Ti-6Al-4V钛合金超塑性研究

白秉哲侯红亮

清华大学材料科学与工程系

北京航空制造工程研究所

摘要：

通过采用Gleeble-1500D热模拟试验机进行超塑性变形试验, 研究变形温度和应变速率对置氢TC4合金超塑变形性能的影响, 利用XRD, SEM和TEM分析热氢处理改善钛合金超塑性能的机制。结果表明:置氢可降低超塑成形流变应力、变形温度, 提高应变速率和m值;但只有适量的氢才有利于改善钛合金超塑性, 即存在一个最佳置氢量;置氢0.35%H (质量分数) 的TC4合金在800℃和3×10-3s-1条件下仍有一定超塑性。分析表明, 置氢钛合金超塑变形过程除晶粒转动和滑动机制外, 位错滑移和孪生也作为辅助超塑变形机制。

关键词：

Ti-6Al-4V (TC4) ;热置氢技术;超塑性成形;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2008-05-09

Superplasticity of Ti-6Al-4V Alloy Processed by Hydrogenation

Abstract：

Influence of deformation temperature and strain rate on superplastic formation (SPF) of Ti-6Al-4V alloy processed by hydrogenation was studied by using Gleeble-1500D thermal simulator.Mechanism of improving superplasticity of titanium alloy by thermo-hydrogen treatment was analyzed with X-ray diffraction (XRD) , scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) .The results showed that thermo-hydrogen treatment could not only decrease the superplastic flow stress and deformation temperature, but also increase strain rate and the value of strain rate sensitivity index represented by 'm'.There was optimal hydrogen content for improving the superplasticity of titanium alloy.Though the deformation temperature decreased to 800 C and the deformation rate was 3×10-3 s-1, TC4 titanium alloy with 0.35% (mass fraction) hydrogen had superplastic ability to a certain extent and the mechanism of superplastic formation (SPF) was the combined effect of crystal grain rotating, grain boundary sliding supplied with dislocation gliding and twinning deformation.

Keyword：

Ti-6Al-4V alloy (TC4) ;thermo-hydrogen processing;superplastic formation (SPF) ;

Received： 2008-05-09

氢并非完全有害的元素, 近年研究发现, 氢可以改善钛合金的显微组织, 提高材料成形性能 ^[1] 。热置氢加工Thermo-Hydrogen Processing (THP) 是一种以氢作为临时合金元素并结合热处理和热加工来改变相变热力学、动力学、相成分及结构, 以改善显微组织, 从而提高力学性能及加工性能的技术 ^[2,3,4,5] 。 THP的工艺过程是: 在一定温度下, 将样品置于一定压力的氢气氛中进行置氢处理, 然后进行加工 (热、冷加工) , 随后在真空或氩气气氛下去氢, 使氢含量达到室温下安全的水平, 以防止残余的氢导致材料在服役时失效 ^[3] 。材料呈现超塑性既有内在的要求又有外在的要求 ^[6] , 即要求材料具有等轴、细晶 (小于10 μm) 组织; 并在较低的应变速率和较高变形温度时才能呈现超塑性。由于超塑变形速率低和变形温度高的原因, 从而给超塑成形带来如氧化、耗能、生产效率低等缺点。如前所述, 氢可以提高热加工性能, 增加钛合金的延展性, 降低流变应力。氢增加某些钛合金的超塑性能在钛合金成形上具有重要的意义, 在这方面有不少的研究 ^{[3,4,5,6,7,8,9]} 。少量的氢加入到α和α+β钛合金中能大幅提高其超塑性成型的能力 ^[1,8] 。

本文研究目的在于揭示置氢Ti-6Al-4V钛合金超塑性加工改性微观机制, 研究几种Ti-6Al-4V钛合金超塑性变形时关键力学性能参数随置氢量、温度的变化规律及对应条件下钛合金超塑性变形中显微组织变化的特点, 探索热氢处理对降低钛合金超塑性苛刻要求的可能性。

1 实验

试验材料为Ti-6Al-4V (TC4) 棒材 (晶粒尺寸约为5 μm) , 采用管式氢处理炉750 ℃置氢, 保温2 h, 空冷到室温, 氢含量分别为0, 0.15%, 0.25%, 0.35%和0.5% (质量分数) , 氢定量采用高精度物理天平通过称重法测定。

超塑拉伸、压缩试验在Gleeble-1500D热/力模拟试验机上进行, 拉伸和压缩试样尺寸分别为Φ8 mm×35 mm和Φ8 mm×16 mm。 m值采用速率突变法测得。采用XRD, SEM, TEM进行微观结构观察分析, SEM使用加速电压为20 kV的JSM-6460LV, 样品采用Kroll腐蚀剂 (10%HF∶5%HNO₃∶85%H₂O) 腐蚀; TEM采用200 kV加速电压的JEM-200CX, 金属薄膜样品在机械减薄之后, 冲成Φ3 mm尺寸, 再用双喷腐蚀液 (95%甲醇∶5%硫酸) 电解减薄, 双喷时用液氮控制温度低于233 K。

2 结果与讨论

2.1 置氢TC4合金超塑性变形力学性能

2.1.1 置氢对超塑性变形的影响

置氢TC4合金在变形速率 (ε˙)3×10?3s?1 下的流变应力 (σ) 和m值的变化规律如图1所示。研究表明, 适量置氢可显著降低合金的流变应力, 置氢0.15%合金在910 ℃可使流变应力从30 MPa降低到20 MPa, 降幅达30%以上; 保持流变应力值不变条件下, 置氢可使所需的变形温度 (T) 下降, 置氢0.15%合金800 ℃超塑变形的流变应力值, 与未置氢合金在840 ℃超塑变形的流变应力值基本相当; 氢含量 (c_H) 过高时 (如高于0.35%) , 氢对超塑变形的有益影响减弱甚至消失。同时, 分析发现, 最小的流变应力对应的氢含量随着温度的升高而降低, 如750 ℃下对应的最低流变应力为含氢0.35%, 而910 ℃下对应的约为0.15%, 超过该临界点, 继续增加氢含量, 变形抗力减少缓慢甚至增加。置氢对压缩流变应力影响与拉伸类似。此外, 高温超塑变形时如910 ℃, 置氢对TC4钛合金m值增加无显著作用; 较低温度条件下 (800～880 ℃) 超塑变形, m值随氢含量的增加, 先增加后又减少, 即存在一个最佳氢含量, 与前述结果相一致, 如在800 ℃变形时, 氢含量为0.25%和0.35%间时, m值达到峰值。鉴于超塑性时m值一般大于0.3, 在本实验条件下, 建议最低超塑性成型温度仍应高于840 ℃。置氢对压缩m值的影响与拉伸类似。

2.1.2 应变速率对置氢TC4合金超塑变形的影响

应变速率对置氢TC4合金流变应力和m值影响如图2所示。结果表明, 随着应变速率的增加, 流变应力增大, m值减小。如置氢0.15%试样应变速率由5×10^-4 s^-1提高至1×10^-2 s^-1时, 流变应力由15 MPa增加至35 MPa, m值随之减小, 但置氢后试样的m值随氢含量的变化速率明显减小。 m值随氢含量增加的变化规律与流变应力基本一致, 即先增加再降低, 在0.25%附近达到最大值。

2.2 置氢TC4微观结构分析

2.2.1 置氢对TC4原始组织的影响

图3是置氢TC4钛合金X射线衍射图, 从XRD图中可以看出, 随着氢含量的增加, 室温下α (HCP) 相数量明显减少、 β (BCC) 相数量相对增加。根据Ti-6Al-4V-H相图 (Kerr et al., 1981) , 氢是β相稳定元素, 置氢可以提高β相比例, 减少α相数量。随氢含量的增加, β相的衍射峰向低角度方向移动, 是因为大量的氢固溶到β相中造成晶格畸变, 晶格常数膨胀, 面间距增大, 所以布拉格角度减少。 α相的衍射峰并没有随氢含量的增加有明显的向低角度移动, 因为氢在α相中固溶度不大。同时, 分析表明, 置氢0.5%的TC4有较多的FCC结构的δ相, 而置氢0.35%的TC4中δ相不明显。

图1 3×10-3 s-1下超塑性变形Fig.1 Superplastic formation (SPF) at strain rates of 3×10-3 s-1

(a) Relationship between tensile strengthσand hydrogen content c_H&temperature T; (b) Relationship between tensile m value and hydrogen content c_H&temperature T; (c) Relationship between compressive strengthσand hydrogen content c_H&temperature T; (d) Relationship between compressive m value and hydrogen content c_H&temperature T

图2 880℃下, 超塑性变形Fig.2 Superplastic formation at 880℃

(a) Relationship between compressive strengthσand stain rateε·&hydrogen content c_H; (b) Relationship between compressive m value and stain rateε·&hydrogen content c_H; (c) Relationship between tensile strengthσand stain rateε·&hydrogen content c_H; (d) Relationship between tensile m value and stain rateε·&hydrogen content c_H

图3 不同置氢量TC4钛合金X射线衍射图

Fig.3 X-ray diffraction patterns of TC4 titanium alloy containing various hydrogen concentrations

置氢TC4合金SEM如图4所示。结果表明, 室温下原始晶粒为α+β两相等轴细晶粒 (晶粒大小约为5 μm) 。 β相 (白色) 与α相 (灰色) 比例随着氢含量的增加而逐渐增加, 从图4 (a) 中置氢0%H时β相约占15%, 远少于α相 (灰色) , 图4 (e) 中置氢0.5%H时β相约占70%, 远多于α相。氢含量较低时, 晶粒尺寸基本不变, 置氢量过高时β相晶粒开始变得粗大, 不能完全保持等轴, 如图4 (e) 中置氢0.5%。图1中表明, 这是由于置氢使塑性良好的β相 (BCC) 比例增加, 而塑性差的α相 (HCP) 比例减少, 从而改善了加工性能。而置氢量过高 (大于0.5%) 如图4 (e) 所示, 将导致β相比例过大而晶粒粗化等轴性消失, 最终使得超塑性性能降低, 因此, 高温 (如910 ℃) 变形时, 由于β相为高温稳定相, 将更明显更容易粗化长大, 加工性能降低。

置氢0.35%的TC4钛合金, 其X射线衍射图在并没有氢化物δ (TiH₂) 的衍射峰, 但实际上, 材料里面依然存在着氢化物δ。图5为置氢0.35%H的TC4中氢化物δ (FCC结构) 的TEM衍射和形貌照片。从图中可以发现氢化物为一系列细小平行条状的, 类似于板条状马氏体。这是由于发生了共析转变β_H→α+δ。

2.2.2 置氢对TC4变形组织的影响

图6为在800 ℃, 应变速率3×10^-3 s^-1下, TC4钛合金压缩50%的变形组织微观照片 (SEM) 。图6 (a) 为未置氢的TC4变形组织, 在低倍下, α, β相晶粒沿着压缩变形方向 (竖直方向) 被压缩, 而沿着其垂直方向 (水平方向) 伸长。因此, 在800 ℃下, 未置氢的TC4合金基本上是一般塑性变形, 不具有超塑性变形特征。图6 (b) , (c) 和 (d) 为此温度下最佳置氢量 (0.25%H) 的TC4变形组织。在低倍下如图6 (b) 组织基本保持等轴晶状态, 晶粒没有被明显拉长, 此为超塑性变形特征。但能发现高倍数下如图6 (c) , (d) 中, 可以清晰地看到孪晶和位错交割的形变带。因此, 尽管温度只有800 ℃, 仍有超塑性变形特征, 并且在超塑性变形的机制里除了晶粒转动和滑动机制之外, 还有位错滑移和孪生作为补充变形机制, 尤其是晶粒处于不易转动或滑动的情况下 ^[10] 。