一种提高TC21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的热氢处理工艺的制作方法

一种提高tc21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的热氢处理工艺
技术领域
1.本发明涉及一种提高tc21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的热处理工艺。


背景技术：

2.钛合金因其优异的性能被视为21世纪最具有发展前景的金属材料之一，它在航空航天、医疗、船舶、兵器和汽车等领域被广泛应用。tc21钛合金是一种典型的α β两相组织，但是由于原始tc21钛合金中α相为主要相，较软的β相含量比较少，所以导致tc21钛合金在室温下塑性低、难变形、冷成形时易出现裂纹，限制了tc21钛合金的应用。多数情况下，钛合金的成形是在高温下进行的，但是高温成形有一些不可避免的弊端，即对模具和成形设备的要求大幅增加，并且对原材料的保护也很困难。
3.为了改善钛合金的加工性能，热氢处理技术被广泛应用。利用氢在钛合金中的临时合金化作用，将其渗入钛合金内部，用氢致塑性、氢致相变以及氢在钛合金的可逆合金化作用来改善钛合金的室温组织、力学性能和加工性能，然后真空退火去除钛合金内的氢。目前已有的研究发现通过热氢处理后的tc21钛合金在室温变形和高温变形下的塑性均有提高(参见yuan bg,zheng yb,gong lq,chen q,lv m.effect of hydrogen content on microstructures and room
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temperature compressive properties of tc21 alloy.materials&design,2016,94(5):330
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337.zong yy,liang yc,yin zw,shan db.effects of hydrogen addition on the high temperature deformation behavior of tc21 titanium alloy.international journal of hydrogen energy,2012,37(18):13631
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13637.)。
4.钛合金在塑性变形过程中同时存在硬化效应和软化效应，然而只有使得软化效应高于硬化效应才能使得钛合金最后表现出软化现象。目前经过热氢处理后的钛合金需要经过高温变形，通过动态回复和动态再结晶两个过程才能使得钛合金的软化效应高于硬化效应，从而表现出软化现象(zhao yl,li bl,zhu zs,nie zr,the high temperature deformation behavior and microstructure of tc21 titanium alloy.materials science and engineering a,2010,527(21
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22)5360
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5367.)。软化效应的提高能够极大地提高钛合金的变形率，有利于钛合金的塑性变形，但是之前的研究发现只有在高温变形下才能使得钛合金表现出软化现象，然而高温变形时需要考虑氢的逃逸，另外对模具及设备的性能和温度控制的要求高，导致高温变形工艺比较复杂而且成本高。所以，提高tc21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的工艺方法是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明是为避免上述现有技术的不足之处，提供一种提高tc21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的热氢处理工艺。
6.本发明为实现目的，采用如下技术方案：
7.一种提高tc21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的热氢处理工艺，其特点在于：首先对tc21钛合金试样表面进行处理，然后将试样在真空环境下加热至充氢温度，再充入氢气并保温至氢压稳定，最后空冷至室温，即完成对tc21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的提高。具体包括如下步骤：
8.步骤1、经砂纸打磨去掉tc21钛合金试样表面的氧化皮，然后在无水乙醇中进行超声波清洗，吹干，保证试样表面无污染；
9.步骤2、将试样放入管式炉的炉管内，开启真空系统，将炉管内抽真空；
10.步骤3、开启温控系统并开始升温，当温度升至充氢温度时关闭真空系统的真空阀门；
11.步骤4、向炉管内充入氢气，保温至氢压稳定；
12.步骤5、保温结束后，试样空冷至室温，取出试样，即完成对tc21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的提高。
13.进一步地，步骤2中，所述抽真空是抽至炉管内真空度低于1.0
×
10
‑3pa。
14.进一步地，步骤3中，所述充氢温度为850℃，升温速率为10℃/min。
15.进一步地，步骤4中，充入氢气至炉管内氢压为
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0.07mpa～
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0.03mpa。
16.进一步地，步骤4中，所述保温时间为2h。
17.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
18.1、本发明的方法使得tc21钛合金的脆性相几乎消失，更多地保留了塑性β相，使得tc21钛合金在室温塑性变形过程中的硬化效应明显降低、软化效应明显提高，无需经过高温塑性变形即可使tc21钛合金表现出明显的软化效应，极大地提高了tc21钛合金的室温变形率。
19.2、本发明提出的热氢处理工艺，不需要进行额外的固溶淬火处理，而只需要进行置氢处理，极大的节省了时间、提高了效率、降低了成本。
附图说明
20.图1为tc21钛合金原始试样及经实施例1～4不同氢压处理后试样的真应力应变曲线。
具体实施方式
21.以下通过实施例对本发明提出的一种提高tc21钛合金室温塑性变形过程中软化效应的热氢处理工艺作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明的保护范围。
22.实施例1
23.步骤1、经砂纸打磨去掉tc21钛合金试样表面的氧化皮，然后在无水乙醇中进行超声波清洗，吹干，保证试样表面无污染。
24.步骤2、将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1.0
×
10
‑3pa。
25.步骤3、开启温控系统并以10℃/min的升温速率开始升温，当温度升至850℃时关
闭真空系统的真空阀门。
26.步骤4、向炉管内充入氢气至
‑
0.07mpa，保温两小时。
27.步骤5、保温结束后，试样在炉管内空冷30min至室温，取出试样，其软化效应结果和塑性指标检测结果分别见图1和表1。
28.实施例2
29.步骤1、经砂纸打磨去掉tc21钛合金试样表面的氧化皮，然后在无水乙醇中进行超声波清洗，吹干，保证试样表面无污染；
30.步骤2、将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1.0
×
10
‑3pa。
31.步骤3、开启温控系统并以10℃/min的升温速率开始升温，当温度升至850℃时关闭真空系统的真空阀门。
32.步骤4、向炉管内充入氢气至
‑
0.06mpa，保温两小时。
33.步骤5、保温结束后，试样在炉管内空冷30min至室温，取出试样，其软化效应结果和塑性指标检测结果分别见图1和表1。
34.实施例3
35.步骤1、经砂纸打磨去掉tc21钛合金试样表面的氧化皮，然后在无水乙醇中进行超声波清洗，吹干，保证试样表面无污染；
36.步骤2、将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1.0
×
10
‑3pa。
37.步骤3、开启温控系统并以10℃/min的升温速率开始升温，当温度升至850℃时关闭真空系统的真空阀门。
38.步骤4、向炉管内充入氢气至
‑
0.055mpa，保温两小时。
39.步骤5、保温结束后，试样在炉管内空冷30min至室温，取出试样，其软化效应结果和塑性指标检测结果分别见图1和表1。
40.实施例4
41.步骤1、经砂纸打磨去掉tc21钛合金试样表面的氧化皮，然后在无水乙醇中进行超声波清洗，吹干，保证试样表面无污染；
42.步骤2、将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1.0
×
10
‑3pa。
43.步骤3、开启温控系统并以10℃/min的升温速率开始升温，当温度升至850℃时关闭真空系统的真空阀门。
44.步骤4、向炉管内充入氢气至
‑
0.03mpa，保温两小时。
45.步骤5、保温结束后，试样在炉管内空冷30min至室温，取出试样，其软化效应结果和塑性指标检测结果分别见图1和表1。
46.表1原始及经热氢处理工艺处理后tc21钛合金的室温塑性指标检测结果
47.试样极限变形率/％较原始试样提高的幅度/％原始20.94/实施例134.1062.85实施例271.00239.06
实施例354.30159.31实施例448.04129.42
48.注：室温压缩实验在mts landmark型设备上进行，压缩速度为200mm/min。
49.以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。