氢对钛合金的影响杨彦涛,王禹华,张永洋(洛阳四○七厂军事代表室,河南洛阳471039)摘要:介绍了钛合金的基本性质,分析了钛合金氢脆机理及表现,概括了氢对钛合金裂纹扩展速率和疲劳寿命的影响,总结了氢致裂纹的影响因素。关键词:氢;钛合金;氢脆;影响:TG146.2+3文献标识码:A钛合金具有密度小、比强度高、工作温度范围宽、耐介质腐蚀和良好的生物相容性能,在航空、航天、军事、民用等各个领域已经得到了广泛的应用。钛合金本身就是一种贮氢合金,极易因吸氢而造成脆化或开裂(氢脆)。因此,有关氢对钛合金的影响问题已成为关注的热点,国内外许多β钛合金的优点,即具有良好高温变形能力和热加工性,可通过热处理强化得到高强度。但是,随着α相比例的增加,其加工性能变差;随着β相比例增加,其焊接性能变差。α+β钛合金退火状态时断裂韧性高,热处理状态时比强度大,硬化倾向较α和β钛合金大。α+β钛合金的室温、中温强度比α钛合金高,并且由于β相溶解氢等杂质的能力较α相大,因此,氢对α+β钛合金的危害较α钛合金小。1钛合金的基本性质2钛合金的氢脆金属钛在882.5℃发生同素异构转变,从密排六方结构的α相转变为体心立方结构的β相。钛是一种化学活性很高的金属,但在中性、氧化性和海水等介质中有极高的抗蚀性。钛的力学性质主要取决于钛晶体的变形模式特征,并受到显微组织、杂质含量等因素的影响。化学纯钛的强度很低,塑性很高。纯钛通过加入适当合金元素,可明显改善组织和性能,以满足工程上不同性能的要求。钛合金根据其相组织的分类可分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金。α钛合金具有高温强度高、韧性好、抗氧化能力强、焊接性优良、组织稳定等特点,其强度比工业纯铁高,但是加工性能较β和α+β钛合金差。β钛合金通过时效处理可以提高强度,其强化机理是α相或化合物的析出。β钛合金在单一β相条件下的加工性能良好,并具有优良的加工硬化性能,但其室温和高温的性能差,脆性大,焊接性能较差,容易形成冷裂纹,在焊接结构中应用较少。α+β钛合金兼有α和2.1钛的氢化钛与氢的反应是一个可逆的过程,这与钛和氧或者氮的反应是不同的。当温度超过250℃以后,钛吸收氢,但吸氢的过程比较缓慢,温度超过300℃以后,钛的吸氢速度加快,在500～600℃吸氢达到平衡,温度继续升高,吸氢量不增加,反而下降。钛-氢反应后主要生成TiH、TiH2化合物和Ti(H)固溶体。由于氢原子的半径小,在钛中有很高的扩散速度,因此钛与氢反应不会形成表面薄膜,而且钛的溶氢量很大,1g原子钛可以溶解2g原子氢,是一种很好的储氢材料。氢是β相稳定元素,在钛发生同素异构转变之前,氢在α-Ti中的溶解度仅为0.2%,超过转变温度以后,氢在β-Ti中的溶解度达到2%。氢气分压的变化也会影响到钛的吸氢和放氢过程,氢分压增大,钛中氢的溶解度增大;氢分压减小,钛中氢的溶解度减小,直至脱除,高温真空退火是脱氢收稿日期:2008-05-23·70·材料开发与应用2009年2月的有效措施,800℃左右操作,可以使含氢量减少到0.002%以下。另外,钛还可以从酸洗腐蚀液中吸氢以及高温大气中吸氢,产生类似于钢的氢脆现象。2.2钛合金的氢脆机理及表现氢对钛合金力学性能的影响分固熔氢的存在而引起的内在影响和由氢引起相组成和显微组织等变化而引起的间接影响,在之前已有一定的研究[1,2]。氢对钛的塑性具有很坏的影响,当钛中氢含量超过0.015%～0.02%以后,氢会在温度梯度或应力梯度下向温度较低或应力较高的地方扩散和富集,导致某些局部区域(裂纹尖端或应力集中区)析出氢化物。由于生成氢化物,会使它附近产生张应力或开裂,强烈降低钛的冲击韧性值,引起钛的氢脆[3]。由钛的氢化物而引起的氢脆是常见的,一般片状氢化物的氢脆敏感性较大,具有体心立方结构的β-Ti合金比具有密排六方结构的α-Ti合金对氢脆的敏感性更大。氢脆表现为塑性降低,而强度稍有增加,同时还发现在低于93℃时,合金的冲击韧性降低以及脆-塑转变温度范围发生变化。氢脆有时也类似于钢的脆化,即在恒载荷下或持续载荷下进行慢速试验时出现的一种脆化现象。这种试验方法通常采用缺口试样,施加高于某一强度水平的应力,观察其脆性发生的行为。通常规定在使用状态的钛零件的氢含量应小于0.015%。文献[4]为了研...