文章编号：1004-0609(2010)S1-s0118-05

热氢处理对Ti600钛合金组织和性能的影响

张鹏省，赵永庆，毛小南，洪  权，韩  栋

 (西北有色金属研究院 钛合金研究所，西安710016)

关键词：

Ti600合金；热氢处理；组织细化；力学性能；热工艺塑性；

中图分类号：TG 146　　     文献标志码：A

Influence of thermo-hydrogenation treatment on

microstructure and properties of Ti600 titanium alloy

ZHANG Peng-sheng, ZHAO Yong-qing, MAO Xiao-nan, HONG Quan, HAN Dong

 (Institute of Titanium Alloy, Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’ an 710016, China)

Abstract: Aiming at the problems such as large deformation resistance and difficulty in deforming during hot working of high-temperature α alloy Ti600, all specimens were handled hydrogen treatment respectively by five different hydrogen content (mass fraction) from 0.1% to 0.5%, and dehydrogenated by vacuum annealing. The microstructure evolution and tensile properties of Ti600 alloy at thermal temperatures were studied. The effects of thermo-hydrogenation treatment on the microstructure, grain size, as well as high temperature mechanical, heat processing plasticity and the variations regularity were investigated. The result shows that the microstructures of Ti600 alloy are refined to some degree. The thermal plasticity of Ti600 alloy is improved obviously with hydrogen increasing from 0.1% to 0.5%.

Key words: Ti600 alloy; thermo-hydrogenation treatment; microstructure refinement; mechanical property; thermal processing plasticity

热氢处理技术是通过氢元素在钛及钛合金中的可逆化作用对钛合金的微观组织、力学性能和热加工工艺特性进行调整的一种新兴的热加工技术，是钛及钛合金的一种特有的热处理方式。西北有色金属研究院自主开发研制的Ti600钛合金是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金，经过多年的研究和发展，其工作温度水平、机械与使用综合性能的提高靠采用传统的热处理和热加工方法已经难以获得突破，而且热加工时塑性低，制造成本高，因而大大限制了它的推广应用。通过热氢处理技术来来增加钛合金中塑性相的体积分数，降低流动应力，提高塑性性能，从而降低Ti600钛合金塑性变形对变形速度和变形温度的苛刻要求，是一种行之有效的方法。

本文作者针对Ti600钛合金热加工抗力大、变形困难、成品率低等问题，研究和探讨置氢、除氢过程中Ti600钛合金的组织变化和高温变形。

1  实验

1.1  试验材料

实验采用的高温近α型Ti600钛合金是西北有色 金属研究院在Ti-1100合金的基础上开发研制的一种长期使用温度为600 ℃的近α型钛合金^[1]。尺寸d8 mm×12 mm的铸态试样从25 kg铸锭上沿周向线切割制取，厚度为2.0 mm的板材试样从铸锭经锻造、板材轧机轧制而成。

1.2  试验方法

采用固态热氢处理，对Ti600钛合金的铸态和加工态试样在管式氢处理炉中进行置氢处理。

根据置氢后钛合金中理想氢含量(质量分数)均为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%，设计5个置氢点。氢含量通过充氢系统中的氢气压力变化来控制，实际氢含量采用高精度物理天平称量获得，精密分析天平的感量为1×10^{-5 g}。真空除氢是在真空炉中，550 ℃温度下退火15 h实现的，真空度为1.4×10^-3 Pa。除氢后的氢含量用OH900氧氢测定仪获得。高温拉伸试样为标准板材拉伸试样，拉伸试验在Zwick150试验机上进行，拉伸速率为2 mm/min。所采用的组织观察和分析手段主要有光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)。

2  结果与讨论

2.1  热氢处理对Ti600钛合金铸态组织的影响

Ti600钛合金的原始组织一般由初生α相和少量的β相组成，可通过热氢处理制度来调整合金中α相和β相的形状、尺寸及分布，满足加工需求。图1为置氢量分别为0、0.1%、0.3%和0.5%的Ti600钛合金的铸态组织形貌。由图1可见，氢含量为0%时，Ti600钛合金的铸态原始组织主要由α片和残余β相组成的片层状β转变组织组成(见图1(a))。每个晶粒内部由片层状组织交错混织构成的β转变组织或α片状组织构成。当氢含量为0.1%时，和原始显微组织相比，β相有所增多，晶界仍为清晰可见的α相，且有条状α向晶内延伸(见图1(b))。随着氢含量的增加，Ti600钛合金中的初生α相和β相的含量、相结构的形状、大小、分布均发生了明显的变化。其中β转变组织的数量和形态随着氢含量的增加变化显著，β相逐渐增多。α相的体积分数随着氢含量的增加有所减少，片层变得细小，晶界α相呈平直状(见图1(c))。当氢含量达到0.5%时，由于α相的逐渐减少以及β相和氢化物的生成，阻断了片层组织的形态，使原已充分细化的片层产生断裂，原α板条的连续性逐渐变差，α相与β相相界、晶界和片层界面变得非常模糊，几乎不能辨别(见图1(d))。

张少卿^[2]发现，在室温下，氢在α钛中的溶解度仅为0.002%~0.01%，引入的氢元素很容易沿晶界和晶内形成氢化物。由于Ti600钛合金为近α合金，氢元素在其中的溶解度很小，当氢含量增到0.1%时，其含量已经超过它在Ti600钛合金中的最大固溶度，并沿着晶界和晶内的α片形成氢化物；随着氢含量继续增加，氢化物大量形成，并弥散分布在晶界及晶内，使晶界模糊、组织变细。

图1  不同氢含量Ti600钛合金铸态样品的金相组织

Fig.1  Microstructures of as-cast Ti600 titanium alloys with different hydrogenation contents: (a) 0%; (b) 0.1%; (c) 0.3%; (d) 0.5%

图2和3所示分别为Ti600钛合金铸态原始组织以及氢含量为0.5%时的XRD谱。由图2可以看出，原始组织主要由不同位相的α相衍射峰组成，还有少量β相的衍射峰，说明Ti600钛合金原始铸态组织主要由大量的α相和少量的β相组成。由图3可以看出，由于置氢后试验样品随炉冷却，冷速缓慢，发生了β相向α+TiH₂共析组织的转变，因此，在大量的α相衍射峰出现的同时，没有发现β相的衍射峰，而是出现了大量氢化物衍射峰。经分析为正交晶系的δ-TiH。同时，衍射峰出现明显的宽化，可能是因为氢元素的大量固溶引起的晶格畸变或各个物相衍射峰发生部分重叠引起的^[3]。对不同氢含量的Ti600钛合金铸态样品在真空退火炉中进行(550 ℃, 1 h)真空除氢处理，真空度控制在1×10^-3 Pa。不同氢含量的Ti600钛合金铸造态样品除氢后的金相组织，如图4所示。

图2  Ti600钛合金铸态组织的XRD谱

Fig.2  XRD pattern of as-cast Ti600 titanium alloy

图3  Ti600钛合金铸态样品铸态置氢后的XRD谱

Fig.3  XRD pattern of as-cast Ti600 titanium alloy after cast hydrogenation (0.5%)

由图4可见，Ti600钛合金铸态组织随着氢含量的增加，尤其是当氢含量增加到0.5%时再除氢，其晶粒度几乎保持在置氢后除氢前的水平，晶内组织的细化效果较为明显，α和β组织由块状、片状转变为细针状，但晶界和两相组织界面模糊(见图4(c))。晶界和两相组织界面主要由针状组织构成，以纵横交错的细小的α相和β相为主要特征。同时，晶界也由于氢化物分解而破碎、细化，片层的连续性变差。这是因为氢化物大量形成并在除氢过程中分解、变化，最后在晶内形成细网篮组织。利用热氢处理这一特性可以优化和改善铸件的组织结构和力学性能，有助于克服高温钛合金开坯锻造加工难，成材率低等问题^[4]。

图4  不同氢含量的Ti600钛合金铸态样品除氢后的金相组织

Fig.4  OM microstructures of as-cast Ti600 titanium alloys with different hydrogenation contents after dehydrogenation:  (a) 0.1%; (b) 0.3%; (c) 0.5%

2.2  不同氢含量的Ti600钛合金的高温拉伸性能

图5所示为不同氢含量的Ti600钛合金在600 ℃的拉伸性能。由图5可见，在600 ℃时，随着氢含量的增加，Ti600钛合金的拉伸强度逐渐降低，塑性逐渐提高。这是因为Ti600钛合金的设计使用温度是600 ℃，在600 ℃时Ti600钛合金的抗氧化能力较强，其强度和伸长率总会在某一个最佳的置氢量达到良好的匹配。在这个置氢点，Ti600钛合金具备较低的强度和较高的塑性。这说明Ti600钛合金置氢之后，会在一定程度上提高其热加工工艺塑性，优化其热加工工艺性能。

图6所示为不同氢含量的Ti600钛合金在650℃的拉伸断口形貌。由图6可见，断口总体呈现韧性特征，随着氢含量的增加，韧窝形态从均匀分布的浅韧窝逐渐变深，而且越来越密集，甚至出现了窄幅瞬断区(见图6(d))。

图5  不同氢含量的Ti600钛合金在600 ℃的拉伸性能

Fig.5   Tensile properties of Ti600 titanium alloys with different hydrogenation contents at 600 ℃

图7所示为不同氢含量的Ti600钛合金除氢后在600 ℃的高温拉伸性能。由图7可以看出，除氢后Ti600钛合金强度变化不大，随着置氢量的增加，塑性先减小而后逐渐增大，但变化程度较小。图8所示为不同氢含量的Ti600钛合金除氢后的断口形貌。从图8可以看出，除氢后拉伸断口韧窝的形态和数量没有明显变化，这是因为除氢是在550 ℃下完成的，只是起到时效的作用，而Ti600合金属于近α型合金，时效的效果是有限的。

图6  不同氢含量的Ti600钛合金在650 ℃的拉伸断口形貌

Fig.6  Tensile fracture morphologies of Ti600 titanium alloys with different hydrogenation contents at 650 ℃: (a) 0%; (b) 0.1%; (c) 0.3%; (d) 0.5%

图7  不同氢含量的Ti600钛合金除氢后在600 ℃的拉伸性能

Fig.7  Tensile properties of Ti600 titanium alloys with different hydrogenation contents after dehydrogenation at 600 ℃

图8  不同氢含量的Ti600钛合金除氢后的断口形貌

Fig.8  Tensile fracture morphologies of Ti600 titanium alloys with different hydrogenation contents after dehydrogenation:  (a) 0.1%; (b) 0.3%; (c) 0.5%

3  结论

1) 对于近α型Ti600钛合金，引入氢元素可在一定程度上细化合金组织。

2) 氢含量在0.1%~0.5%时，热氢处理可有效提高近α型Ti600合金的热加工工艺塑性。

REFERENCES

[1] 洪 权, 杨冠军, 赵永庆. 一种高温固溶强化耐热钛合金: 中国专利ZL 200710017881.8[P]. 2008-11-19.
HONG Quan, YANG Guan-jun, ZHAO Yong-qing. A heat resistance titanium alloy strengthened by thermal solution: Chinese Patent ZL 200710017881.8 [P]. 2008-11-19.

[2] 张少卿. 氢在钛合金热加工中的作用[J]. 材料工程, 1992(2): 24-29.
ZHANG Shao-qing. Hydrogen action in thermal processing of titanium [J]. Material Engineering, 1992(2): 24-29.

[3] 龚 沛, 孙东立, 李中华. TC4钛合金渗氢后显微组织特征[J]. 内蒙古工业大学学报, 2006, 25(3): 190-195.
GONG Pei, SUN Dong-li, LI Zhong-hua. Microstructure character of TC4 titanium alloy by hydrogen charged [J]. Journal of Inner Mongolia University of Technology, 2006, 25(3): 190-195.

[4] 韩明臣. 钛合金的热氢处理[J]. 宇航材料工艺, 1999, 29(1): 23-27.
HAN Ming-chen. Thermal hydrogenous treatment of titanium alloy [J]. Aerospace Material Processing, 1999, 29(1): 23-27.

(编辑 何学锋)