氫在TC4鈦合金擴(kuò)散連接中的作用機(jī)理研究.pdf

1、鈦合金置氫加工工藝是將氫作為一種臨時(shí)合金元素，通過(guò)改變鈦合金的相組成和微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到改善鈦合金加工性能的目的。自從該技術(shù)被提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)置氫與除氫基礎(chǔ)理論，氫改善塑性加工性能及熱氫處理細(xì)化晶粒等方面進(jìn)行了大量的研究，然而對(duì)氫改善擴(kuò)散連接性方面的研究較少。本文針對(duì)置氫TC4鈦合金，分別開(kāi)展了直接和間接擴(kuò)散連接試驗(yàn)，研究了置氫合金母材相組成和微觀組織演化演化規(guī)律，確定了擴(kuò)散連接接頭的界面結(jié)構(gòu)以及連接工藝參數(shù)對(duì)界面結(jié)構(gòu)的影響規(guī)

2、律，并對(duì)TiH2粉末和高氫含量置氫合金的脫氫分解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上探討了氫致低溫?cái)U(kuò)散連接機(jī)理。
　　研究了置氫TC4鈦合金的相組成以及微觀組織演化規(guī)律。板狀原始合金由一定軋制方向的(α+β)組成，隨著氫含量的增加βH相和氫化物δ相依次出現(xiàn)，微觀組織中軋制方向逐漸消失，當(dāng)氫含量增加到0.4wt.％以上時(shí)α′馬氏體大量形成。棒狀原始合金由等軸狀(α+β)組成，置氫0.15wt.%時(shí)，初生α相在原始β晶界面處形核并長(zhǎng)大，隨

3、后β相中聚集的氫導(dǎo)致了片層狀(βH+α)的形成，而置氫0.3wt.%時(shí)，較高的氫含量導(dǎo)致了共析產(chǎn)物(α+δ)和α′馬氏體的形成。
　　直接擴(kuò)散連接了置氫TC4鈦合金，分析了其界面結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)對(duì)界面結(jié)構(gòu)的影響。接頭界面處只有擴(kuò)散孔隙的存在，且隨著連接溫度、連接時(shí)間、連接壓力、合金中氫含量以及加熱速率的升高，界面處的擴(kuò)散孔隙數(shù)量逐漸減少且尺寸逐漸變??；高含氫量的置氫合金在快速升溫下擴(kuò)散連接溫度降低了大約150℃左右。在緩慢加熱條件

4、下，合金中含氫不穩(wěn)定相逐漸發(fā)生分解，在氫的作用下合金元素發(fā)生了充分的擴(kuò)散。在快速加熱條件下，含氫不穩(wěn)定相幾乎同時(shí)發(fā)生分解，合金元素?cái)U(kuò)散不充分且在快速的冷卻速度下導(dǎo)致大量α′馬氏體形成。
　　采用Ni、Al、Nb和Ti中間層間接擴(kuò)散連接了置氫TC4鈦合金，分析了各類(lèi)擴(kuò)散偶中接頭的界面結(jié)構(gòu)。采用Ni中間層時(shí)接頭界面處分別生成了β相變區(qū)、Ti2Ni、TiNi和TiNi3，采用Al中間層時(shí)界面處只生成TiAl3，采用Nb中間層時(shí)界面處只生

5、成固溶體層。在相同的連接工藝參數(shù)下隨著氫含量的增加，接頭界面處擴(kuò)散層的厚度逐漸增加。采用Ti中間層時(shí)，接頭界面只由擴(kuò)散孔隙組成，且在相同連接工藝參數(shù)下隨著氫含量的增加，擴(kuò)散孔隙數(shù)量及尺寸逐漸減小。
　　置氫TC4鈦合金在600℃~950℃之間脫氫，而高氫含量置氫合金中氫主要以δ氫化物的形式存在。詳細(xì)研究了TiH2粉末的脫氫分解動(dòng)力學(xué)，其分解過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟：TiH2→TiH1.5+H2↑；δ→βH+H2↑；βH→βH+H2↑和

6、βH→αH；βH→αH+H2↑。在此基礎(chǔ)上確定了置氫0.5wt.%合金的脫氫分解動(dòng)力學(xué)，具體脫氫分解過(guò)程如下：TiH1.5~2→TiH1.5+H2↑；δ→βH+H2↑；βH→βH+H2↑和βH→αH+H2↑。借助動(dòng)力學(xué)模型探討了置氫TC4鈦合金低溫?cái)U(kuò)散連接機(jī)理，氫的加入導(dǎo)致了在孔隙閉合過(guò)程中擴(kuò)散系數(shù)的增大，也導(dǎo)致了變形和蠕變的改善，因而其擴(kuò)散連接性得到了改善。且較快速度下升溫能保證在擴(kuò)散連接前，氫幾乎不逸出，從而保證了活性氫含量，這有利