氫對(duì)TC21鈦合金熱物理性能的影響

張小雪，項(xiàng)運(yùn)良，陳文杰，袁寶國

氫對(duì)TC21鈦合金熱物理性能的影響

張小雪1，項(xiàng)運(yùn)良2，陳文杰3，袁寶國3

（1. 安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230601；2. 中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039； 3. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

獲得氫含量對(duì)TC21鈦合金密度、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和熱導(dǎo)率等熱物理性能的影響規(guī)律。利用固態(tài)置氫法對(duì)TC21鈦合金進(jìn)行氫處理，利用固體密度測(cè)試儀、激光導(dǎo)熱儀和差示掃描量熱儀等設(shè)備測(cè)定原始及含有不同氫含量TC21鈦合金的熱物理性能。隨著氫含量的增加，TC21鈦合金的密度呈線性降低趨勢(shì)；TC21鈦合金在不同溫度下的比熱容和熱導(dǎo)率等均呈波折狀變化規(guī)律。在不同溫度下，氫含量對(duì)TC21鈦合金熱擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律不同。當(dāng)氫含量相同時(shí)，隨著溫度的升高，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和熱導(dǎo)率等均逐漸變大。氫對(duì)TC21鈦合金的熱物理性能具有重要影響。

鈦合金；氫處理；熱物理性能

鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、高溫性能好、防腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、化工等領(lǐng)域[1-3]，是一種理想的金屬結(jié)構(gòu)材料。熱物理性能指鈦合金材料本身固有的特性，密度、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和熱導(dǎo)率等熱物理性能是衡量鈦合金材料性能優(yōu)劣的依據(jù)之一。

鈦合金氫處理技術(shù)是近年來興起的一種新技術(shù)[4-6]，該技術(shù)是利用氫在鈦合金中的強(qiáng)擴(kuò)散性，把氫作為一種臨時(shí)合金化元素，借助氫致塑性、氫致相變以及鈦合金中氫的可逆合金化作用，實(shí)現(xiàn)鈦氫系統(tǒng)最佳組織結(jié)構(gòu)、改善加工性能的一種新方法。利用該技術(shù)可以改善鈦合金的加工性能、提高鈦制件的使用性能、降低鈦產(chǎn)品的制造成本以及提高鈦合金的加工效率。

近年來，有些學(xué)者對(duì)置氫鈦合金的熱物理性能進(jìn)行了研究。李紅等[7]研究了氫對(duì)TC4鈦合金熱物理性能的影響，發(fā)現(xiàn)在置氫前后，雖然TC4鈦合金比熱容和熱導(dǎo)率的變化規(guī)律在各個(gè)溫度點(diǎn)不同，但隨著測(cè)試溫度的升高，不同氫含量TC4鈦合金的比熱容和熱導(dǎo)率普遍提高。隨著氫含量的增加，TC4鈦合金的密度稍有減小。王耀奇等[8]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，置氫TC4鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，與未置氫合金相比，置氫TC4鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)增幅更顯著。

TC21鈦合金是我國西北有色金屬研究院自主研制的一種新型高強(qiáng)度、高韌性、高損傷容限的α+β型雙相鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2Zr-2Sn- 2Mo- 1.5Cr-2Nb，具有比TC4鈦合金更加優(yōu)越的綜合力學(xué)性能。作為一種重要的結(jié)構(gòu)工程材料，TC21鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域[9-11]。目前國內(nèi)外對(duì)置氫TC21鈦合金熱物理性能的研究較少，因此，文中擬利用固態(tài)置氫法對(duì)TC21鈦合金進(jìn)行氫處理，使用熱物理性能測(cè)試設(shè)備研究氫對(duì)TC21鈦合金密度、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和熱導(dǎo)率等熱物理性能的影響。

1 試驗(yàn)

使用的試驗(yàn)材料為熱加工態(tài)的TC21鈦合金棒材，其微觀組織如圖1所示。由圖1可知，TC21鈦合金由大量的等軸狀α相和少量的β相組成。氫處理試驗(yàn)用試樣為6 mm′9 mm的TC21鈦合金圓柱形試樣，試樣先經(jīng)砂紙打磨，去除試樣表面的氧化膜，然后在無水乙醇溶液中超聲波清洗，最后吹干。在自制的管式氫處理裝置中，利用固態(tài)置氫法對(duì)TC21鈦合金進(jìn)行氫處理，置氫溫度為1123 K，保溫時(shí)間為2 h，初始?xì)鋲悍謩e為6.325，16.325，26.325，36.325，46.325，56.325，66.325 kPa，對(duì)應(yīng)的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為0.181%，0.357%，0.496%，0.649%，0.803%，0.934%，1.093%。

采用流體靜力學(xué)法測(cè)量原始以及不同氫含量TC21鈦合金的密度，該法以阿基米德原理為基礎(chǔ)，通過測(cè)量物體浸于液體中所受的浮力確定物體的體積，進(jìn)而求出其密度[12]。所用設(shè)備為群隆儀器有限公司生產(chǎn)的DX-100E型固體密度測(cè)試儀，環(huán)境溫度為293 K；所用溶劑為去離子水，去離子水在293 K時(shí)的密度為0.998 23 g/cm3。文中利用式（1）計(jì)算合金的密度[12]。

圖1 原始TC21鈦合金的微觀組織

式中：為試樣的密度（g/cm3）；為試樣在空氣中的質(zhì)量（g）；′為試樣浸沒于溶劑中的質(zhì)量（g）；w為溶劑的密度（g/cm3）；0為干燥空氣的密度，干燥空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和293 K下的密度為0.001 205 g/cm3。

采用德國耐馳公司生產(chǎn)的LFA457型激光導(dǎo)熱儀測(cè)定原始以及不同氫含量TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)，所用試樣的尺寸為6 mm′2.5 mm。在試驗(yàn)過程中，設(shè)備先抽真空，再通入氦氣保護(hù)，熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量的溫度點(diǎn)分別為298，473，673，873，1073 K。

采用德國耐馳公司生產(chǎn)的DSC214型差示掃描量熱儀測(cè)定原始以及不同氫含量TC21鈦合金的比熱容，所用試樣的尺寸為3 mm′1 mm，試驗(yàn)過程中采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，測(cè)試溫度范圍為293～873 K，加熱速率為10 K/min。

將原始以及不同氫含量TC21鈦合金的密度、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容等代入熱導(dǎo)率計(jì)算式，見式（2）[13]，計(jì)算出原始以及不同氫含量TC21鈦合金的熱導(dǎo)率。

=1P(2)

式中：為熱導(dǎo)率（W/(m·K)）；1為熱擴(kuò)散系數(shù)（mm2/s）；p為比熱容（J/(g·K)）。

2 結(jié)果與分析

2.1 置氫TC21鈦合金的密度

圖2為原始及不同氫含量TC21鈦合金的密度。由圖2可知，隨著氫含量的增加，TC21鈦合金的密度呈線性降低趨勢(shì)。原始TC21鈦合金的密度為4.587 g/cm3，當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.093%時(shí)，TC21鈦合金的密度為4.350 g/cm3，較原始TC21鈦合金降低了約5.2%。經(jīng)擬合可知，TC21鈦合金的密度與氫含量之間的關(guān)系可以用式（3）表示。

=4.576?0.219H(0≤H≤1.093%) (3)

式中：為TC21鈦合金的密度（g/cm3）；H為TC21鈦合金的氫含量。

圖2 原始及不同氫含量TC21鈦合金的密度

鈦合金經(jīng)氫處理后，氫以間隙元素的形式固溶于鈦合金[14-15]，使得密排六方晶格的α相和體心立方晶格的β相發(fā)生了不同程度的晶胞體積膨脹。圖3為原始及不同氫含量TC21鈦合金的晶胞體積變化曲線。由圖3可知，對(duì)于α相，當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.496%時(shí)，α相的晶胞體積隨著氫含量的增加呈線性增大趨勢(shì)；當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.496%時(shí)，α相的晶胞體積變化不大，說明氫在α相中已達(dá)到飽和。α相晶胞體積與氫含量之間的關(guān)系如式（4）和（5）所示。

α=34.775+1.172H(0≤H≤0.496%) (4)

α=35.337+0.04H(0.496

式中：α為α相晶胞體積。

氫含量對(duì)β相晶胞體積的影響與對(duì)α相的影響不同。由圖3b可知，β相的晶胞體積隨著氫含量的增加逐漸變大，基本呈線性增加的趨勢(shì)。經(jīng)擬合可知，β相的晶胞體積與氫含量之間的關(guān)系可用式（6）表示。

β=35.239+1.637H(0≤H≤1.093%) (6)

式中：β為β相晶胞體積。

與原始TC21鈦合金相比，當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.093%時(shí)，合金中α相的晶胞體積膨脹率為1.74%，β相的晶胞體積膨脹率達(dá)到了5.04%，表明氫在β相中的溶解度高于其在α相中的溶解度。綜合以上分析可知，TC21鈦合金經(jīng)氫處理后，α相與β相均發(fā)生了晶胞體積膨脹，雖然在滲氫過程中，合金的質(zhì)量也在增加，但質(zhì)量的增加量低于合金體積的增加量，最終導(dǎo)致TC21鈦合金的密度隨氫含量的增加逐漸降低。

圖3 原始及不同氫含量TC21鈦合金的晶胞體積

2.2 置氫TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)

圖4為原始及不同氫含量TC21鈦合金在不同溫度下的熱擴(kuò)散系數(shù)。由圖4可以看出，在不同溫度下，氫含量對(duì)TC21鈦合金熱擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律不同。當(dāng)溫度為298 K時(shí)，隨著氫含量的增加，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)先逐漸降低；當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.357%時(shí)，合金的熱擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最小值（比原始合金降低了約49.2%）；當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.357%時(shí)，合金的熱擴(kuò)散系數(shù)略有升高，再之后，氫含量逐漸對(duì)TC21鈦合金熱擴(kuò)散系數(shù)影響變得不明顯。當(dāng)溫度為473，673，873 K時(shí)，隨著氫含量的增加，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)均呈線性降低趨勢(shì)；當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.093%時(shí)，TC21鈦合金在473，673，873 K時(shí)的熱擴(kuò)散系數(shù)較原始合金分別降低了32.3%，33.7%，32.0%，表明在473，673，873 K時(shí)，TC21鈦合金傳播溫度變化的能力均隨氫含量的增加而逐漸減小。經(jīng)擬合可知，當(dāng)溫度為473，673，873 K時(shí)，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)與氫含量之間的關(guān)系可用式（7—9）表示。當(dāng)溫度達(dá)到1073 K時(shí)，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)隨著氫含量的增加不再呈降低趨勢(shì)，而是在5.4～6.1 mm2/s間波動(dòng)，表明氫含量對(duì)TC21鈦合金在1073 K時(shí)的傳播溫度變化能力影響不明顯。當(dāng)氫含量相同時(shí)，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)均隨著溫度的升高而增加。

1=3.403?0.951H(473 K) (7)

1=4.433?1.227H(673 K) (8)

1=5.168?1.525H(873 K) (9)

式中：1為試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)（mm2/s）。

圖4 原始及不同氫含量TC21鈦合金在不同溫度下的熱擴(kuò)散系數(shù)

2.3 置氫TC21鈦合金的比熱容

圖5為原始及不同氫含量TC21鈦合金在不同溫度下的比熱容。由圖5可知，隨著氫含量的增加，TC21鈦合金在不同溫度下的比熱容均呈波折狀變化。當(dāng)溫度為298～673 K時(shí)，TC21鈦合金比熱容的變化均呈增加-降低-增加-降低-增加-降低等反復(fù)升降的規(guī)律。當(dāng)溫度為773 K和873 K時(shí)，TC21鈦合金比熱容的變化均呈降低-增加-降低-增加-降低的規(guī)律。當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.357%時(shí)，TC21鈦合金在不同溫度下的比熱容均達(dá)到最小值；當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.934%時(shí)，TC21鈦合金在不同溫度下的比熱容均達(dá)到最大值。在298，373，473，573，673，773，873 K溫度下，TC21鈦合金比熱容波動(dòng)的幅度分別為0.269 11，0.315 36，0.371 74，0.426 10，0.525 83，0.640 09，0.801 09 J/(g·K)。可見，隨著溫度的升高，不同氫含量TC21鈦合金比熱容波動(dòng)的幅度逐漸變大，即高溫下氫含量對(duì)TC21鈦合金比熱容的影響較大。當(dāng)氫含量相同時(shí)，TC21鈦合金的比熱容均隨著溫度的升高逐漸變大。

2.4 置氫TC21鈦合金的熱導(dǎo)率

圖6為原始及不同氫含量TC21鈦合金在不同溫度下的熱導(dǎo)率。由圖6可知，隨著氫含量的增加，TC21鈦合金在不同溫度下的熱導(dǎo)率具有相似的變化規(guī)律，均呈降低-增加-降低-增加-降低的波折狀變化。在298，473，673，873 K溫度下，原始及不同氫含量TC21鈦合金熱導(dǎo)率波動(dòng)的幅度分別為4.782，4.297，7.068，18.877 W/(m·K)?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，氫含量對(duì)TC21鈦合金熱導(dǎo)率的影響變顯著。當(dāng)氫含量相同時(shí)，隨著溫度的升高，TC21鈦合金的熱導(dǎo)率也逐漸變大。

圖5 原始及不同氫含量TC21鈦合金在不同溫度下的比熱容

圖6 原始及不同氫含量TC21鈦合金在不同溫度下的熱導(dǎo)率

3 結(jié)語

隨著氫含量的增加，TC21鈦合金的密度呈線性降低趨勢(shì)。當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.093%時(shí)，TC21鈦合金的密度較原始合金降低了約5.2%。經(jīng)氫處理后，TC21鈦合金中α相和β相均發(fā)生了晶胞體積膨脹。相較于原始TC21鈦合金，當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.093%時(shí)，合金中α相的晶胞體積膨脹率為1.74%，β相的晶胞體積膨脹率達(dá)到了5.04%。

在不同溫度下，氫含量對(duì)TC21鈦合金熱擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律不同。當(dāng)溫度為298 K時(shí)，隨著氫含量的增加，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)先逐漸降低，然后略有升高，最后基本不變；當(dāng)溫度為473，673，873 K時(shí)，隨著氫含量的增加，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)均呈線性降低趨勢(shì)。當(dāng)溫度達(dá)到1073 K時(shí)，隨著氫含量的增加，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)在5.4～6.1 mm2/s間波動(dòng)。當(dāng)氫含量相同時(shí)，TC21鈦合金的熱擴(kuò)散系數(shù)均隨著溫度的升高而增加。

隨著氫含量的增加，TC21鈦合金在不同溫度下的比熱容均呈波折狀變化。隨著溫度的升高，不同氫含量TC21鈦合金比熱容波動(dòng)的幅度逐漸變大。當(dāng)氫含量相同時(shí)，TC21鈦合金的比熱容均隨著溫度的升高逐漸變大。

隨著氫含量的增加，TC21鈦合金在不同溫度下的熱導(dǎo)率均呈波折狀變化。隨著溫度的升高，氫含量對(duì)TC21鈦合金熱導(dǎo)率的影響變顯著。當(dāng)氫含量相同時(shí)，隨著溫度的升高，TC21鈦合金的熱導(dǎo)率也逐漸變大。

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Effects of Hydrogen on Thermophysical Properties of TC21 Titanium Alloy

ZHANG Xiao-xue1, XIANG Yun-liang2, CHEN Wen-jie3, YUAN Bao-guo3

(1. School of Mechanical Engineering, Anhui Sanlian University, Hefei 230601, China; 2. No. 59 Research Institute of China Ordnance Industry, Chongqing 400039, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The work aims to investigate the effects of hydrogen content on the density, thermal diffusivity, specific heat capacity and coefficient of thermal conductivity of TC21 titanium alloy. TC21 titanium alloy was treated with hydrogen by solid hydrogen method, and the thermophysical properties of original and TC21 titanium alloys with different hydrogen contents were measured by solid density tester, laser thermal conductivity meter and differential scanning calorimeter. The density of TC21 titanium alloy decreased linearly with the increase of hydrogen content. The specific heat capacity and coefficient of thermal conductivity of TC21 titanium alloy changed in a zigzag manner at different temperatures with the increase of hydrogen content. The effects of hydrogen content on the thermal diffusivity of TC21 titanium alloy varied at different temperatures. The thermal diffusivity, specific heat capacity and coefficient of thermal conductivity of TC21 titanium alloy increased with the increase of temperature when hydrogen content in the alloy was the same. Hydrogen has significant effects on the thermophysical properties of TC21 titanium alloy.

titanium alloy; hydrogen treatment; thermophysical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.013

TG146.2+3

A

1674-6457(2022)01-0109-05

2021-08-12

國家自然科學(xué)基金（51875157）；安徽三聯(lián)學(xué)院自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（KJZD2019005）；安徽高校優(yōu)秀拔尖人才培育資助項(xiàng)目（gxyq2021238）

張小雪（1985—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚渭敖M織性能控制。

袁寶國（1979—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)椴牧纤苄猿尚卫碚摷肮に?、鈦合金熱氫處理技術(shù)。