热氢处理对颗粒增强钛基复合材料显微组织和力学性能的影响(2)

图3 置氢复合材料铸态显微组织 (a) 0 wt.% H (c) 0.15 wt.% H (d) 0.60 wt.% H.

2.3.2 置氢复合材料锻态显微组织

　　锻造完成后的显显微组织如图4所示。原始复合材料锻态组织是典型的等轴组织。氢含量为0.15 wt.% 的复合材料也是等轴组织，只是其β相比原始材料有所增多。而氢含量为0.60 wt.% 的复合材料在锻造后的组织很难腐蚀显现，几乎完全是β 相。

　　对于α+β钛合金或钛基复合材料，锻造后的组织主要与终锻温度关系密切。根据图2可知，氢的加入大大降低了复合材料的相变温度。因此，三种材料的终锻温度（880°C）和相变温度的关系有所不同。原始复合材料的相变温度为1035°C，终锻温度处于两相区的低温区。锻造后获得了α 相数量较多的等轴组织。含氢0.15 wt.%的复合材料，其相变温度温度为935°C，终锻温度处于两相区的高温区。因此，在锻造完成后，获得了比原始材料含有更多β 相的等轴组织。而对于含氢0.60 wt.%的复合材料，其相变温度温度为825°C，终锻温度完全处于β 相区。在空冷的过程中，只有少量β 相转变成α 相或马氏体，大多数β 相被氢元素稳定到室温。因此，获得了独特的仅含少量α 相的β 相组织，类似于近β 合金的室温组织。

图4 置氢复合材料锻态显微组织 (a) 0 wt.% H (c) 0.15 wt.% H (d) 0.60 wt.% H.

2.3.3 除氢后复合材料显微组织

　　真空退火除氢的过程是包含了退火和除氢两个处理过程。为了剔除退火对材料力学性能的影响，将3 种材料均放入同一真空退火炉内进行真空退火。称重法的结果显示，除氢前后质量变化分数与氢含量相同。化学分析的结果显示，氢含量为0.60 wt%的试样除氢后的氢含量为14.6 pm，原始材料的氢含量为6.2ppm。由于室温氢脆的原因，要求钛合金的安全服役的氢含量最大为125~150ppm，这说明在合适的温度和时长进行真空退火可以使氢含量恢复到正常使用的范围内，氢在钛基复合材料的热加工中作为临时性元素进行辅助加工是可行的。同时，在700~750°C 的真空退火是钛合金及钛基复合材料锻造或轧制后，在出厂前必需的热处理程序。因此，真空退火除氢没有增加钛基复合材料的加工成本。

　　真空退火后的显微组织如图5 所示。原始材料（图5(a)）的组织与退火前的组织（图4(a)）相比基本没有变化，仍为等轴组织。氢含量为0.15 wt%的复合材料组织变化不大，晶粒尺寸与原始材料基本相同。而氢含量为0.60 wt%的复合材料，真空退火后的组织是均匀细小的等轴组织，相比原始材料（图5(a)）β相显著增多，晶粒明显减小。这是因为，在真空退火的过程中，发生了如下分解反应：β（H）→ β+α+H2 。富氢β相在退火中分解成均匀细小的α和β相，因此细化了组织。

图5 置氢复合材料除氢后显微组织 (a) 0 wt.% H (c) 0.15 wt.% H (d) 0.60 wt.% H.

2.3.4 力学性能测试

　　真空退火后的室温和高温（400°C）力学性能测试结果如表1 所示。室温力学性能结果显示，氢含量为0.15 wt%的复合材料在热氢处理后，与原始复合材料相比室温屈服强度和抗拉强度略微下降，延伸率稍有提。而氢含量为0.60 wt%的复合材料在热氢处理后，室温屈服强度和抗拉强度均显著提高，提高幅度均超过100MPa，延伸率则几乎没有下降，仍然具有较好的塑性。这与图5 中的显微组织是相一致的。

　　高温（400°C）力学性能结果显示，氢含量为0.60 wt%的复合材料在热氢处理后，具有最高的抗拉强度，比原始复合材料高150MPa。细晶强化的作用非常明显。而氢含量为0.15wt%的复合材料在热氢处理后，抗拉强度与原始材料相比则差别不大。

表1 置氢试样除氢后的室温和高温（400°C）力学性能

　　对颗粒增强钛基复合材料的进行热氢加工，既有利于改善热加工性能，降低其高温流变抗力（或降低高温变形温度），在真空退火除氢后不会损害钛基复合材料的性能，在合适的含量处，还能显著提高复合材料的室温和高温力学性能。这为钛基复合材料热氢加工的
应用提供了基本依据。

3. 结论

　　1．置氢增加了复合材料中β 相的数量。在氢含量为0.15 wt.%时，β 相增多，未生成氢化物。而在0.60 wt.%时β 相显著增多，且形成大量氢化物。

　　2．在相同的锻造条件下，不同氢含量的复合材料获得了不同的显微组织。氢含量在0.15wt.%时，获得了与原始组织相似的等轴组织，β相含量略微增加。而氢含量增加至0.60 wt.%，获得了仅含少量α 相的β 相组织。

　　3. 真空退火可以将置氢钛基复合材料的氢含量恢复到安全服役的水平。真空退火后，含氢0.15 wt.%的复合材料的室温和高温力学性能与原始材料相比差别不大，而氢含量0.60wt.%的复合材料室温和高温力学性能显著提高，抗拉强度分别提高了100MPa 和150MPa，且室温塑性几乎没有降低。大量β 相在真空退火时分解而使组织细化是钛基复合材料力学性能提高的主要原因。