超低间隙相铸造Ti5Al2.5Sn ELI合金热氢处理组织演变及性能影响

Titanium alloy Ti5Al2.5Sn ELI is a kind of important constructural material used under low temperature in aerospace field.To meet the need of Ti5Al2.5Sn ELI alloy castings with high strength and high fatigue resistance,this project intends to research the influence of thermohydrongen treatment(THT) on this alloy aiming at improving mechanical properties and reliability by refining grain.By studying the microstructures and mechanical properties of Ti5Al2.5Sn ELI titanium alloy under different THT conditions (different temperature, different hydrogen concentration, etc.),the microstructure evolution and mechanical performance character of cast titanium alloy Ti5Al2.5Sn ELI before and after THT will be revealed, and its generation mechanism will be find out too. Based on the research, an optimal THT technology for refining grain will be proposed, and it will provide important basis data and principles for the performance improvement of the alloy castings. It will benefit the improvement of performance and reliability of aerospace equipments manufactured with the alloy. All these will provide important foundational technical supports for developments of Chinese major aerospace projects. The project is the first to research the influence of THT on the microstructures and mechanical properties of cast titanium alloy Ti5Al2.5Sn ELI at home and abroad, and it will fill the blank in the field.

超低间隙相Ti5Al2.5Sn ELI钛合金是航天领域重要的低温结构材料。针对我国航天技术发展对高强度、耐疲劳Ti5Al2.5Sn ELI钛合金铸件的急需，本项目拟开展以细化铸造组织、提高铸件性能和可靠性为最终目标的热氢处理影响研究。通过研究不同热氢处理条件（不同温度、不同氢浓度等）下Ti5Al2.5Sn ELI钛合金显微组织、力学性能特征，揭示热氢处理前后Ti5Al2.5Sn ELI钛合金的显微组织演变和力学性能影响规律，探讨其产生机理，并以此提出最优的组织细化热氢处理工艺，为该合金铸件整体性能的提升提供重要的基础数据和原理，从而促进以该合金为制造材料的航天装备使用性能、可靠性的提高，为我国重大航天工程建设发展提供重要基础技术支持。 本项目属国内外首次开展热氢处理对铸造Ti5Al2.5Sn ELI钛合金显微组织与力学性能的影响研究，可填补国内外该领域的空白。

钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温等特点，而被广泛用于各个领域。超低间隙相Ti-5Al-2.5Sn ELI（Extra Low Interstitial）钛合金是航天领域重要的低温结构材料。针对我国航天技术发展对高强度、耐疲劳Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金铸件的急需，开展了以细化铸造组织、提高铸件性能为最终目标的热氢处理（THT）影响研究。.首先研究了铸造Ti-5Al-2.5Sn ELI的置氢和除氢工艺，Ti-5Al-2.5Sn ELI合金试样在590℃以下几乎不吸附氢气，在温度升到750℃时对氢气的吸附速率达到最大。在750℃下保温时间达到90min时，固溶在Ti-5Al-2.5Sn ELI合金试样中的氢原子和炉内的氢气在热力学上达到了平衡，此时，被吸附的氢原子在Ti-5Al-2.5Sn ELI合金试样内部也实现了均匀分布。具体置氢工艺为：往放有试样的炉内通入不同压力的高纯氢气，升温至750℃保温时间90min，根据氢压的不同可以得到不同氢含量的置氢样。在真空度1×10-3Pa、750℃条件下保温12h后Ti-5Al-2.5Sn ELI合金试样最终氢含量降至0.0120wt%，在ELI级钛合金标准（0.0125wt%）之内，以此作为除氢手段。.研究发现：单一α相铸造Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金置氢量在0.321wt%时，组织内部出现β相和δ氢化物，平均晶粒尺寸由原始态的650μm变为450μm，当置氢量达到0.515wt%时，平均晶粒尺寸约为220μm，δ氢化物随着置氢量的增加而增加，晶粒的细化是相变和再结晶两种机制共同作用的结果。置氢之后含氢试样的硬度随着氢含量的增高而变大，初始样的硬度为252HBW，氢含量为0.321wt%的试样硬度提高至315HBW，氢含量为0.920wt%时，硬度提高至381HBW。通过置氢处理后，组织内位错数量增多，生成的氢化钛δ相导致钛合金微观结构发生畸变，同时对位错运动产生钉扎阻碍作用，氢原子、氢化钛和位错之间的互相影响最终使钛合金的硬度得以提高。.对铸造Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金进行置氢处理后，合金中逐渐生成氢化物，并且随置氢量增多，合金内部生成的氢化物数量增加，对合金产生的晶粒细化作用明显增强。除氢后的试样拉伸和冲击性能也随置氢量的增加大幅提高，其中，对置氢量为0.920wt%的试样进行除氢后