一种提高tc4钛合金室温塑性的循环热氢处理工艺的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种提高TC4钛合金室温塑性的方法。
【背景技术】
[0002]钛被称为“21世纪金属”，钛及钛合金具有比重轻、比强度高、高温性能好、防腐蚀能力强、无毒以及良好的生物相容性等优点，在化工、航空、航天、能源、海洋开发、医学等领域得到了广泛的应用。航空工业是应用钛合金最早的领域，由于航空工业对高强度低密度材料的需求日益迫切，大大促进了航空钛工业的迅速发展。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速的发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇、及兵器等领域的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业有着巨大的应用潜力。目前美国在航空航天等领域的用钛量最大，自上世界80年代后，各种先进战机和轰炸机中，钛及其合金的用量已稳定在20%以上。日本除了继续开拓钛在航空工业的应用外，仍以民用为主。我国对钛合金的研究也十分活跃，我国钛科学技术的发展不断取得新的进展，目前钛合金已成为我国航天航空工业中不可缺少的结构材料。
[0003]但是钛合金室温塑性低、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，目前大多数钛合金需要在热态下成形。但是由于钛合金的热变形温度高和变形抗力大，对模具或工装材料的选材带来了困难，也给成形设备提出了更高的要求，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。
[0004]研究发现利用热氢处理工艺，即在TC4钛合金中引入一定含量的氢，然后再进行固溶淬火处理可以明显改善其室温塑性(参见:牛勇，李晓华，王耀奇，侯红亮，李淼泉，林莺莺，李志强.置氢对T1-6A1-4V合金高温塑性变形的影响.稀有金属材料与工程，2008 ,12
(37): 2089-2093。孙中刚，侯红亮，李红，王耀奇，李晓华，李志强，周文龙.氢处理对TC4钛合金组织及室温变形性能的影响.中国有色金属学报，2008,5(18): 789-793.Yuan BG ,Li CF,Yu HP, Sun DL.1nfluence of hydrogen content on tensile and compressiveproperties of T1-6A1-4V alloy at room temperature.Materials Science andEngineering A,2010，527(16):4185-4190.)。
[0005]但目前来说，现有通过热氢处理以提高TC4钛合金室温塑性的方式，普遍存在着性能的提高仍不能满足生产使用需求的问题。因此，能够更大程度提高TC4钛合金室温塑性的工艺方法亟待发掘。
【发明内容】
[0006]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，在原有热氢处理技术的基础上，提供了一种能更大程度改善TC4钛合金室温塑性的循环热氢处理方法，即对TC4钛合金进行循环置氢处理。
[0007]本发明解决技术问题，采用如下技术方案:
[0008]本发明提高TC4钛合金室温塑性的循环热氢处理工艺，其特点在于:对TC4钛合金进行二次循环置氢处理，即对TC4钛合金进行一次置氢处理后，再除氢，然后再进行二次置氢处理，最后进行固溶淬火处理，即完成对TC4钛合金室温塑性的提高。具体是按如下步骤进行:
[0009]步骤1、一次置氢处理
[0010]将TC4钛合金试样放入管式炉的炉管内，开启真空系统，将炉管内真空度抽至低于1X10—3Pa,开始升温;当温度升至750°C时关闭真空系统，向炉管内通入氢气，保持炉管内氢压为ll-25kPa，并保温2h;然后将炉管从管式炉内拉出，空冷至室温后取出试样；
[0011]步骤2、除氢
[0012]将一次置氢后TC4钛合金试样放入管式炉的炉管内，开启真空系统，将炉管内真空度抽至低于I X 10—3Pa,然后升温至750°C，保温10h，最后随炉冷却至室温后取出试样;在升温和保温的过程中真空系统保持工作状态；
[0013]步骤3、二次置氢处理
[0014]将除氢后TC4钛合金试样放入管式炉的炉管内，开启真空系统，将炉管内真空度抽至低于I X 10—3Pa,开始升温;当温度升至750°C时关闭真空系统，向炉管内通入氢气，保持炉管内氢压为ll_25kPa，并保温2h;然后将炉管从管式炉内拉出，空冷至室温后取出试样；
[0015]步骤4、固溶淬火处理
[0016]将二次置氢后TC4钛合金试样放入石英管中，将石英管内真空度抽至低于5.0 X10—3Pa并封装;将封装后石英管放入温度为850°C的管式炉内，保温30min后水淬，淬火时入水瞬间将石英管挤破，取样，即完成对TC4钛合金室温塑性的提高。
[0017]与已有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0018]本发明通过对TC4钛合金进行“置氢-除氢-置氢-固溶淬火”的二次置氢处理方法来提高其室温塑性，与进行“置氢-固溶淬火”的一次置氢处理方法相比，改善了TC4钛合金中α相和β相的比例，增加了合金中塑性较好的β相的含量，减少了 V马氏体的含量，细化了晶粒，从而使其室温塑性进一步得到了改善。经二次循环热氢处理后，TC4钛合金的极限变形率提高了 22.1%，屈服强度降低了 11.1%，屈强比降低了 11.5%。
[0019]目前尚没有有关本发明中循环热氢处理工艺的研究报道。
【附图说明】
[0020]图1为不同置氢次数的TC4钛合金试样的光学显微组织:(a)未置氢；(b)置氢一次；(c)置氢二次；(d)置氢三次。
[0021]图2为不同置氢次数的TC4钛合金试样的XRD图谱:(a)未置氢；(b)置氢一次；(C)置氢二次；(d)置氢三次。
[0022]图3为不同置氢次数TC4钛合金试样的真应力-真应变曲线。
[0023]图4为不同置氢次数TC4钛合金试样的极限变形率。
[0024]图5(a)为不同置氢次数TC4钛合金试样的屈服强度和抗压强度，(b)为不同置氢次数TC4钛合金试样的屈强比。
【具体实施方式】
[0025]实施例1
[0026]本实施例所用实验材料为TC4钛合金棒材，直径30mm。原始棒材经线切割，切取尺寸为Φ 4mm X 6mm的圆柱形试样，试样经过800#、1000#砂纸打磨，丙酮超声波清洗，并吹干，确保试样表面无污染。
[0027]为了确定提高TC4钛合金室温塑性的最佳循环置氢次数，本实施例选取了三个试样，分别对三个试样进行一次置氢处理、二次置氢处理、三次置氢处理。一次置氢工艺为:一次置氢-固溶淬火；二次置氢工艺为:一次置氢-除氢-二次置氢-固溶淬火;三次置氢工艺为:一次置氢-除氢-二次置氢-除氢-三次置氢-固溶淬火。TC4钛合金的最佳氢含量在0.6 %?0.8 %之间，本实施例选择氢含量为0.65%,每次置氢时均保持炉管内氢压为16kPa;若所选氢含量为0.6% ,则每次置氢时均保持炉管内氢压为IIkPa；若所选氢含量为0.8% ,则每次置氢时均保持炉管内氢压为25kPa ；
[0028]以二次置氢工艺为例，详细介绍其步骤如下:
[0029]步骤1、一次置氢处理
[0030]将TC4钛合金试样放入管式炉的炉管内，开启真空系统，将炉管内真空度抽至低于I X 10—3Pa,以10°C/min的升温速率从室温开始升温；当温度升至750°C时关闭真空系统，向炉管内快速通入高纯氢气(99.999%)，保持炉管内氢压为16kPa，并保温2h;然后将炉管从管式炉内拉出，空冷至室温后取出试样；
[0031]步骤2、除氢
[0032]将一次置氢后TC4钛合金试样放入管式炉的炉管内，开启真空系统，将炉管内真空度抽至低于I X 10—3Pa，然后以10°C/min的升温速率从室温开始升温至750°C，保温1h，最后随炉冷却至室温后取出试样;在升温和保温的过程中真空系统保持工作状态，以防止除氢过程中试样被氧化；
[0033]步骤3、二次置氢处理
[0034]将除氢后TC4钛合金试样放入管式炉的炉管内，开启真空系统，将炉管内真空度抽至低于I X 10—3Pa，以10°C/min的升温速率从室温开始升温；当温度升至750°C时关闭真空系统，向炉管内快速通入高纯氢气(99.999 % )，保持炉管内氢压为16kPa，并保温2h;然后将