航天器用鈦合金充氫組織分析

航天器用鈦合金充氫組織分析

由于其低密度、高比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性，t34鈦合金廣泛應(yīng)用于宇宙領(lǐng)域。這是星箭解鎖帶、遙感裝置鏡筒、連接固體、液體燃料儲(chǔ)存箱和其他航空航天結(jié)構(gòu)和功能的重要材料。目前結(jié)構(gòu)用鈦合金引入氫的工藝過程多為室溫條件酸洗等表面處理。由于氫在鈦合金內(nèi)部擴(kuò)散速率遠(yuǎn)低于其在鋼中的擴(kuò)散速度，大比例的氫在鈦合金表面富集并形成鈦氫化合物本文結(jié)合航天產(chǎn)品工藝實(shí)際，采用室溫溶液電解充氫的方法，獲取了室溫條件下一系列標(biāo)稱氫含量的鈦合金試樣。分析了不同充氫工藝條件下，氫致鈦合金結(jié)構(gòu)變化的基本趨勢(shì)。采用了多種力學(xué)評(píng)價(jià)手段對(duì)材料充氫后的力學(xué)性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，特別針對(duì)定量化快速的氫脆敏感性評(píng)價(jià)技術(shù)和鈦合金的氫脆敏感性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究工作。1實(shí)驗(yàn)1.1充氫表面充氫后結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定實(shí)驗(yàn)所用材料為雙相TC4鈦合金棒材。電化學(xué)充氫實(shí)驗(yàn)使用DH1765程控直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，充氫液成分為33%（體積比，下同）磷酸與67%甘油的混合液，充氫電流密度為1～50mA，充氫時(shí)間為0.2～40h，充氫溫度為室溫。將樣品橫截面用2000將以上四種充氫工藝獲取的平板裝樣品進(jìn)行表面的X射線衍射分析，掃描角度為10°～90°。對(duì)試樣由表面到不同深度處進(jìn)行機(jī)械減薄，隨后對(duì)不同深度減薄后表面進(jìn)行X射線衍射分析，分析不同深度處充氫引起的組織結(jié)構(gòu)變化，直到分析結(jié)果為基體結(jié)構(gòu)為止，從而確定富氫表面深度。充氫試樣選取橫截面，樣品機(jī)械拋光后采用HF、HNO1.2靜態(tài)和緩慢擴(kuò)展將光滑圓棒試樣的標(biāo)距段用10001.32氫脆敏感性實(shí)驗(yàn)采用與1.2類似的方法對(duì)TC4缺口試樣進(jìn)行充氫實(shí)驗(yàn)，隨后對(duì)試樣進(jìn)行氫脆敏感性實(shí)驗(yàn)。其中，樣品根據(jù)HB5214—1996中圖1要求制備，缺口試樣的缺口直徑為5mm，缺口張開角為60°，缺口處理論應(yīng)力集中系數(shù)K參照GB/T24185—2009標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)2結(jié)果與討論2.1氫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響未充氫及不同充氫工藝對(duì)應(yīng)的試樣表面的XRD圖譜如圖1所示。由圖1可見，TC4未充氫試樣表面XRD圖譜中僅有α+β相對(duì)應(yīng)的Bragg衍射峰構(gòu)成。經(jīng)過充氫后，TC4表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。當(dāng)標(biāo)稱氫含量達(dá)到0.0125%時(shí)，試樣表面出現(xiàn)γ-TiH圖2為充氫TC4合金由表面至機(jī)械磨拋至不同深度處的XRD圖譜。其中，圖2(a）為標(biāo)稱氫含量0.0125%實(shí)驗(yàn)樣品。由圖2可見，充氫后式樣表面結(jié)構(gòu)為α、β相及γ-TiH圖3為標(biāo)稱氫含量0.1%樣品橫截面SEM二次電子相照片。其中圖3(a）為試樣與氫接觸的表面及過渡區(qū)域，圖3(b）、（c）和（d）分別為該樣品表面區(qū)域、過渡區(qū)域及芯部區(qū)域的高倍組織照片。由圖3(a）可見，其顯微組織隨著表面向芯部深入而變化。由于氫在Ti合金中擴(kuò)散速度較慢，表面氫含量較高，氫大量富集導(dǎo)致組織中形成了條形和針狀組織。而在式樣芯部由于其氫含量極低（接近未充氫樣品），其顯微組織仍然保留為黑色α相基體和顆粒狀白色β相。圖3(c）為表面組織和芯部組織的過渡區(qū)域，其組織為白色β相顆粒與針狀組織的復(fù)合形態(tài)。SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)合XRD結(jié)果表明，TC4合金經(jīng)化學(xué)充氫后，試樣表面組織由于雙相比例的變化和TiH2.2氫對(duì)鈦合金tc4合金斷口形貌的影響不同充氫條件下TC4合金在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸條件下的力學(xué)性能參數(shù)列于表3中（每組平行5件試樣取平均值）。在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸條件下對(duì)比不同氫含量試樣性能發(fā)現(xiàn)，其強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率并未出現(xiàn)顯著的、有規(guī)律的變化。隨著氫含量升高，試樣斷裂延伸率仍然均大于10%，由此很難判斷試樣脆性是否發(fā)生了變化。不同充氫條件下TC4合金在慢拉伸實(shí)驗(yàn)條件下的力學(xué)性能隨氫含量的變化關(guān)系如圖4所示。從圖4(a）和4(b）中可以看出，在慢拉伸條件下充氫試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均相比未充氫式樣有一定程度增加。這表明硬脆的氫化物析出，對(duì)試樣的強(qiáng)度提高有一定的貢獻(xiàn)作用。通過圖4(c）和4(d）發(fā)現(xiàn)，未充氫的TC4試樣的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別為16%和50%左右，而充氫式樣的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率則分別下降到3%和7%左右。充氫式樣在合金中析出脆性的氫化物后，在慢拉伸條件下塑性變形能力已經(jīng)嚴(yán)重退化，發(fā)生了明顯的氫致脆性轉(zhuǎn)變。含氫0.1%的TC4合金經(jīng)慢拉伸后斷口形貌如圖5所示。從圖5(a）的宏觀斷口形貌圖觀察到，試樣斷口有明顯的邊緣和芯部的分界（點(diǎn)陣線標(biāo)識(shí)以便于觀察）。試樣裂紋起始點(diǎn)及后續(xù)放射狀的裂紋擴(kuò)展路徑由長(zhǎng)虛線標(biāo)識(shí)，斷口上存在大量二次裂紋和微孔洞，這些裂紋及微孔多出現(xiàn)在斷裂起始點(diǎn)附近位置以及靠近試樣的邊緣位置。對(duì)于等軸兩相組織，若晶界上有不連續(xù)的β相時(shí)，斷裂方式通常為α相的解理型穿晶斷裂；若晶界上有連續(xù)β相存在時(shí)，斷裂的方式則隨氫的濃度和壓力而變化，壓力較低時(shí)，斷口仍是α相的解理斷裂，連續(xù)的β相以延性方式斷裂，高氫濃度下的斷裂方式變?yōu)檠卅梁挺孪嘟缑娣蛛x這種斷口形貌特征，與H在TC4合金中的擴(kuò)散和分布存在一定的關(guān)聯(lián)。由于H多富集與樣品外緣表面和次表面，且生成了脆性的Ti-H化合物。在拉伸應(yīng)力作用下脆性相易發(fā)展成裂紋源，并向芯部擴(kuò)展。而芯部由于H含量逐漸降低，在一定深度處并未形成脆性Ti-H化合物，合金仍具有未充氫的高斷裂韌性。慢拉伸條件下充氫式樣在邊緣發(fā)生脆性斷裂，裂紋向芯部擴(kuò)展，在試樣芯部合金H含量較低的位置區(qū)域，遇到了韌性的雙相組織，以韌性斷裂的方式終結(jié)TC4合金慢拉伸試樣斷裂后，對(duì)其側(cè)面的形貌進(jìn)行觀察，不同充氫含量的試樣側(cè)表面照片如圖6所示。未充氫的鈦合金側(cè)面有明顯的塑性變形痕跡，出現(xiàn)了明顯的縮頸。充氫后的試樣側(cè)面出現(xiàn)了大量的垂直于變形方向的裂紋。這些裂紋的方向并未出現(xiàn)在與軸向呈45°剪應(yīng)力最大的方向。這表明表層金屬對(duì)拉伸變形非常敏感，極其高的脆性邊緣組織在很小的變形條件下即已經(jīng)無法發(fā)生塑性形變，從而出現(xiàn)了大量的裂紋。隨著氫含量的提高，這些裂紋的寬度和數(shù)量逐漸減小。這表明，在高氫含量的試樣中，一旦微裂紋由表面產(chǎn)生，很容易向芯部擴(kuò)展形成最終的裂紋。高氫含量試樣出現(xiàn)一定數(shù)量的裂紋后，裂紋擴(kuò)展從而抵消了變形的形變量，從而不會(huì)引發(fā)其他裂紋的發(fā)生。而低氫含量試樣由于氫仍大量存在于淺表層，裂紋擴(kuò)展的尖端部位被一定深度的韌性組織鈍化，無法拓展為最終斷口，導(dǎo)致形變量無法通過少量的裂紋擴(kuò)展而抵消，從而引發(fā)了更多數(shù)量的裂紋出現(xiàn)。低含氫量樣品雖然在表面即一定淺表層出現(xiàn)裂紋，但仍能表現(xiàn)出一定的拉伸變形能力，在表面也出現(xiàn)了更寬和更多數(shù)量的裂紋出現(xiàn)。2.3氫脆敏感性的實(shí)驗(yàn)判定通過以上研究，常規(guī)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸無法評(píng)定氫脆敏感性，慢拉伸實(shí)驗(yàn)則需要較長(zhǎng)周期以及多臺(tái)設(shè)備平行實(shí)驗(yàn)才具備針對(duì)氫脆斷裂一定不確定性的統(tǒng)計(jì)意義。目前，工程實(shí)際中普遍采用200h持久加載的實(shí)驗(yàn)方法（HB5067.1—2006）對(duì)氫脆敏感性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)判定。逐級(jí)加載也同樣具有低應(yīng)變速率的變形特征，適用于氫脆敏感性的評(píng)定。2.3.1充氫試樣的斷裂將不同充氫條件的TC4試樣采用持久加載的方式進(jìn)行氫脆敏感性測(cè)試。未充氫及4種氫含量試樣每組加載了6根平行試樣，其中未充氫試樣全部未發(fā)生斷裂，而4種充氫試樣的6個(gè)平行試樣中至少有1根在200h內(nèi)發(fā)生斷裂。五種樣品的200h持久加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表4中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4種充氫鈦合金未通過75%強(qiáng)度條件下的持久加載考核，可判定為氫脆敏感性高。2.3.2載荷強(qiáng)度及斷裂強(qiáng)度200h持久加載實(shí)驗(yàn)僅能用于定性判斷TC4鈦合金的氫脆敏感性，在實(shí)際工程中，需要準(zhǔn)確獲取造成合金發(fā)生氫脆斷裂的應(yīng)力值。逐級(jí)加載實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合長(zhǎng)時(shí)加載和逐級(jí)加力的力學(xué)加載模式，在最大限度模擬服役工況的條件下，能夠更準(zhǔn)確的給出材料的氫脆敏感性和斷裂應(yīng)力閾值。根據(jù)逐級(jí)加載的加載方式，TC4合金在不同標(biāo)稱氫含量下的試樣經(jīng)階梯加載斷裂載荷強(qiáng)度情況如圖7所示。其中1斷裂強(qiáng)度的變化趨勢(shì)表明氫的聚集與氫化物的生成對(duì)合金的承載能力產(chǎn)生了明顯的影響。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)，雖然高氫含量、長(zhǎng)加載周期的試樣表現(xiàn)出較低的斷裂強(qiáng)度（數(shù)據(jù)逐漸收斂），但圖7中43氫化物對(duì)氫脆敏感性的影響采用電化學(xué)充氫的方法，對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了不同氫含量的充氫實(shí)驗(yàn)和氫脆敏感性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，H在TC4鈦合金中的擴(kuò)散和反應(yīng)機(jī)制與鋼存在較大差異，其固溶飽和濃度高以及擴(kuò)散速度慢的特點(diǎn)造成在TC4合金試樣表層形成了不同體分的鈦氫化合物。鈦氫