钛合金在热氢处理方面的应用与发展 

钛合金热氢处理技术是利用氢致塑性、氢致相变以及钛合金中氢的可逆合金化作用以实现钛氢系统最佳组织结构、改善加工性能的一种新体系、新方法和新手段,利用该技术不仅可以改善钛合金的加工性能,而且可以提高钛制件的使用性能,降低钛产品的制造成本,提高钛合金的加工效率。 

钛合金室温塑性低,变形极限低,变形抗力大,冷成形容易开裂,大大限制了钛合金的冷态工艺性;因此,绝大多数钛合金必须在热态下成形,但热变形温度高,流动应力大,应变速率低,特别是对于那些高强、高韧、高模量、耐高温的难变形钛合金,这种现象尤为严重,大大地限制了它们的应用;此外,由于热变形温度高,造成系统或工艺的高温保护困难,费用高;同时,钛合金热加工时对模具材料要求高,要求模具能够在900℃以上的高温下仍需具有足够的强度,对模具选材和制造带来了很大的困难,造成加工周期长、生产费用高等一系列问题;不仅如此,由于钛合金的热变形温度高和变形抗力大的原因,给成形设备也提出了更高的要求,使得现有成形设备加工钛合金结构件的能力大大降低,为研制新成形设备提出了更高的要求,增加了设备研制的费用和难度。 

氢对钛合金高温塑性的影响主要表现为（1）流变应力较低（2）高温拉伸塑性性能提高（3）高温镦粗出现第一个裂纹前的变形极限提高。高温增塑是最早受到关注并得到广泛而深入研究的热氢处理技术方向,国内外学者对此给予了高度重视。早在上世纪70年代,前苏联学者就致力于这方面的研究工作,一系列的研究表明:钛合金加氢可使合金的热压力加工性能得到改善,表现为热变形流动应力的降低和塑性的提高,使热变形更容易在较低温度下实现轧制、热锻等工序;氢增塑效应对高铝含量的热强钛合金及Ti3Al合金的作用特别明显,对近α和α+β合金也是适用的,但对近β合金几乎没有作用。Kolachov对Ti3Al基的CT5合金研究发现:虽在1 050～1 250℃的β区温度范围内变形也很困难,但加入%(质量分数)的氢,甚至在900℃下变形达80%也不产生裂纹,塑性提高伴随有屈服强度的降低,其渗氢试样的压缩流变应力仅为未渗氢试样流变应力的1/3。 

铸态的以Ti3Al(α2)为强化相的耐热钛合金Ti-9Al-1Mo-3Zr-4Sn的等温镦锻试验表明:渗氢合金的最大变形量可以达到60%,并可以有效地降低合金的变形抗力,σ分别从950℃和900℃的200 MPa和320 MPa降低到50～60MPa和120～140MPa,且氢对合金变形抗力下降的影响程度随温度的上升而降低。Ti-5Zr-9Al-5Sn-2Mo合金镦锻试验表明:氢含量%(质量分数)的试样在800℃的锻造流变应力比未渗氢试样下降50%左右。BT16合金镦粗试验表明:在600～850℃试验温度范围内,加入～%(质量分数)的氢,屈服应力降低1/3～1/2。BT6高温拉伸试验表明:800℃时置入%氢的试样的流变应力比未渗氢试样的流变应力低一半,延伸率由50%提高到105%。Kerr等人对渗氢Ti-6Al-4V合金进行了等温锻造试验研究,图9和10所示分别是不同氢含量合金在760和820℃时的应力—应变曲线,图11所示是合金在不同温度下氢含量对峰值流动应力的影响曲线。 

图9,10和11表明:合金的流动应力随着氢含量的增加而减小,当氢含量达

到%(质量分数)时,其流变应力为最低,约为未渗氢合金流变应力的70%;之后,随着氢含量的增加,流变应力反而增加,这主要是因为氢化物TiH2的析出而致。Birla等人在Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金中加入%(质量分数)氢,30℃时的锻造流变应力比未加氢时,降低30%～35%。张勇等人对Ti3Al基Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo铸态和锻态合金进行热压缩行为研究时发现:氢可以显着降低热压缩的峰值流变应力,在900～1 000℃范围内,铸态的%(质量分数)H渗氢试样的峰值流变应力比未渗氢试样的流变应力降低了37%～53%,锻态的%(质量分数)H渗氢试样的峰值流变应力比未渗氢试样的降低了27%～31%,从流动应力的角度出发,%(质量分数)H可使合金的热压缩温度降低50℃ ,应变速率提高一个数量级;等温压缩时,氢含量增加所产生的组织变化相当于在更高温度压缩所产生的组织变化,随热压温度的提高,Ti3Al相由 

部分动态再结晶发展到完全动态再结晶,Ti3Al相的体积分数下降,当氢含量达到%(质量分数)时,温度达到1 000℃ ,变形时显示出β相区变形特征。钛合金氢致热塑性效应在实际生产中具有显着的效果和意义,可以降低等温变形温度50～

150℃ ,流变应力下降30%以上,可以采用工艺性更好的模具材料替代现有模具材料,提高模具寿命和金属利用系数。 

钛合金中氢的作用具有双重性:一方面,氢作为有害杂质元素对钛合金使用性能有着极为不利的影响;另一方面,可以通过合理有效地控制渗氢、相变、除氢等过程获得适应某种工艺的组织结构以改善其加工性能,否则,氢的积极作用亦不能得到发挥。需要指出的是,氢的有益作用主要体现在钛合金的加工过程中,无论其加工过程是否加氢,必须利用氢的可逆合金化作用经真空退火使其氢含量恢复到安全水平,以保证钛合金制件在使用中不发生氢脆。钛合金热氢处理技术是从氢的可逆合金化角度出发,有效地控制钛氢系统中氢含量、存在状态及相变过程,实现改善塑性加工、扩散加工、切削加工和变质加工工艺性能的目的,并已成为一个新型的学科领域。俄罗斯已经建立了一套完整的技术体系,主要包括热氢处理、氢增塑、氢致密和氢机械加工。钛合金热氢处理技术有利于全面改善钛合金成形性能、提高加工效率、降低加工难度和提高制件使用性能,可以提升钛合金的加工制造水平,其应用前景良好,并有可能推广到与钛性质相近金属的加工过程之中。