CN110021376A - 一种改善钛合金力学加工性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善钛合金力学加工性能的方法，该方法包括以下步骤：(1)建立包含不同氢浓度的一系列钛的α相与β相超晶胞，计算得到氢的最稳定掺杂位置以及氢的形成能，评估氢在α相钛和β相钛中的热力学稳定性，获得氢对钛的结构稳定性的影响规律；(2)通过计算模拟得到含有不同氢浓度的α相钛和β相钛的弹性模量值，将其与纯钛的情况进行对比，分析氢对于钛的弹性模量的影响；(3)通过分析不同氢浓度对于钛的结构稳定性以及力学参量的影响规律，获得能最大程度改善钛力学性能的最佳掺杂氢浓度。本发明利用计算模拟方法准确得到不同氢浓度对于钛合金力学性能影响的变化规律，从而确定最佳掺杂氢浓度，为进一步开展实验工作提供有效的理论指导。

Description

一种改善钛合金力学加工性能的方法
技术领域
本发明涉及一种改善钛合金力学加工性能的方法，属于有色金属材料领域。
背景技术
钛合金具有优异的屈服强度，同时拥有较轻的重量，作为结构材料广泛应用于汽车制造以及空间产业等重要领域，是一种具有极高应用价值的有色金属材料。然而，钛合金在室温下的加工性能很差，这极大地制约了钛合金在工业制造上的应用。因此，有必要开发一种有效改善钛合金力学加工性能的方法，从而大力推进钛合金产业化应用的发展。
合金化是一种改善金属材料力学性能的重要方法。氢元素作为一种临时合金化元素，可以显著降低钛合金的变形温度和变形抗力，并能促进钛合金从α相向加工性较好的β相转变，从而达到提高钛合金塑性的目的，这种方法称为热氢处理技术。然而，掺入的氢浓度过高会直接导致氢脆的产生，造成材料失效，必须控制氢在一定的掺杂浓度范围内，获得最佳的改善钛合金力学加工性能的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善钛合金力学加工性能的方法，利用计算模拟方法准确得到不同氢浓度对于钛合金力学性能影响的变化规律，从而确定最佳掺杂氢浓度，为进一步开展实验工作提供有效的理论指导。与传统实验方法相比，既减少了人力物力的支出，又能为实验工作提供重要的指导信息。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种改善钛合金力学加工性能的方法，该方法包括以下步骤：
(1)获取氢在钛中的热力学稳定性：建立包含不同氢浓度的一系列钛的α相与β相超晶胞，计算得到氢的最稳定掺杂位置以及氢的形成能，评估氢在α相钛和β相钛中的热力学稳定性，获得氢对钛的结构稳定性的影响规律；
(2)获得氢对于钛的弹性模量的改变：通过计算模拟得到含有不同氢浓度的α相钛和β相钛的弹性模量值，将其与纯钛的情况进行对比，分析氢对于钛的弹性模量的影响；
(3)获得氢浓度改善钛力学性能的变化规律：通过分析不同氢浓度对于钛的结构稳定性以及力学参量的影响规律，获得能最大程度改善钛力学性能的最佳掺杂氢浓度。
优选地，所述步骤(1)中，建立一系列含有不同原子数的钛的超晶胞，掺杂入一个氢原子，来建立包含不同氢浓度的一系列钛的α相与β相超晶胞，以避免氢原子之间相互作用给计算结果带来的影响。
优选地，所述弹性模量包括体弹模量、剪切模量以及杨氏模量。
本发明的优点在于：
本发明利用计算模拟方法，从微观原子尺度分析氢对于钛合金的结构稳定性以及力学性能的影响，准确得到不同的氢浓度对于钛不同稳定相的力学性能改变的规律，以避免实验上掺入过高浓度的氢导致两相转变，而且极易直接造成材料断裂失效，从而无法准确测得力学参数。通过计算模拟方法可以揭示氢如何改善钛合金力学加工性能的物理本质，预测能达到最佳改善效果的氢的掺杂浓度，给实验工作提供有效的指导，对于钛合金工业化应用的发展有很重要的意义。
附图说明
图1显示α相钛和β相钛中氢的两种溶解位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
计算材料学是预测材料性能变化规律的重要工具，理论计算模拟方法不借助任何经验参数，只要输入元素的原子序数以及原子位置即可以准确得到材料的电子结构，从而分析和预测材料的各种性能。根据原子结构信息，利用周期性边界条件，建立计算所用的超晶胞，从而将固体材料抽象为具有平移周期性的理想晶体。通过模拟计算得到超晶胞的基态能量，建立结构与能量间的对应关系，利用微观结构和能量的变化关系来预测影响材料宏观性能的各种因素，从而达到获得改善材料性能的方法，以及设计新材料的目的。
实施例
利用氢改善钛合金力学加工性能的方法包括如下步骤：
1、获得氢在钛中的热力学稳定性：α相钛和β相钛的原子结构分别为密排立方结构和体心立方结构，首先为了确定氢的热力学稳定位置，将H分别置于图1中的两种间隙位置，计算H的热力学形成能，判断H的稳定位置。进一步，为了模拟计算不同H浓度，建立含有不同Ti原子的超晶胞，通过将含有2个Ti原子的原胞向x，y，z三个方向扩展不同个周期来实现。例如，Ti16超晶胞是由(2×2×2)的Ti2原胞构成，Ti8超晶胞(2×1×2)的Ti2原胞构成，以此类推。将一个H原子放入上述晶胞当中，对应H浓度分别为1∶16，1∶8，1∶4，1∶2，计算此时的H的热力学形成能，得到H浓度与H形成能的变化关系。H的热力学形成能计算公式为：EH＝[E(mTi+H)-E(mTi)-1/2E(H2)]/m，其中，E(mTi+H)和E(mTi)分别为含有m个Ti原子和1个H原子，以及仅有m个Ti原子的体系的总能量，1/2E(H2)是一个H分子总能量的一半。计算结果如表1所示，随着H浓度的增加，钛的结构变化越明显，而且β相钛的结构有向α相钛转变的趋势。另一方面，H形成能随浓度增加而降低，表明热力学稳定性越高，氢起到了稳定钛相结构的作用。
表1不同氢浓度对于钛的结构和能量稳定性的影响
2、获得氢对于钛的弹性模量的改变：首先通过计算模拟得到纯钛的弹性常数，由此计算得到体弹模量B、剪切模量G、以及杨氏模量E，结果在表2中显示；之后计算得到不同氢浓度下的弹性模量值，与纯钛的情况进行对比。结果表明，氢的加入降低了α相钛的剪切模量和杨氏模量，说明氢使α相钛抵抗切应力的能力减弱，即增强了其形变的能力，改善了其加工性能；相反，氢的加入增加了β相钛的剪切模量和杨氏模量，使形变更难于发生，产生了强化效应。
表2不同氢浓度对于钛的弹性模量的影响
体弹模量B(GPa) 剪切模量G(GPa) 杨氏模量E(GPa)
α-2Ti-H 130 33 91
α-4Ti-H 123 12 35
α-16Ti-H 118 32 88
β-2Ti-H 131 46 123
β-4Ti-H 122 42 113
β-16Ti-H 109 26 72
3、获得氢浓度改善钛力学性能的变化规律：结合以上结果，氢对于α相钛和β相钛力学性能的改善方式呈现完全相反的效果。随着氢浓度的增加，β相钛在热力学上更倾向于稳定，并且结构开始向α相钛转变。对于α相钛，在掺杂氢浓度不超过25％时，其剪切模量和杨氏模量随着氢浓度增加而不断降低，表明变形抗力在不断减小，加工性能有所提高；而当氢浓度达到50％时，α相钛的弹性模量反而增加，且此时β相钛更为稳定，材料硬化而不易被加工。
因此，为了获得最佳的改善钛合金力学加工性能的效果，可以在钛合金中掺杂不超过25％浓度的氢原子，使其表现出更为优越的力学性能。

Claims (3)

1.一种改善钛合金力学加工性能的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)获取氢在钛中的热力学稳定性：建立包含不同氢浓度的一系列钛的α相与β相超晶胞，计算得到氢的最稳定掺杂位置以及氢的形成能，评估氢在α相钛和β相钛中的热力学稳定性，获得氢对钛的结构稳定性的影响规律；
(2)获得氢对于钛的弹性模量的改变：通过计算模拟得到含有不同氢浓度的α相钛和β相钛的弹性模量值，将其与纯钛的情况进行对比，分析氢对于钛的弹性模量的影响；
(3)获得氢浓度改善钛力学性能的变化规律：通过分析不同氢浓度对于钛的结构稳定性以及力学参量的影响规律，获得能最大程度改善钛力学性能的最佳掺杂氢浓度。
2.根据权利要求1所述的改善钛合金力学加工性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，建立一系列含有不同原子数的钛的超晶胞，掺杂入一个氢原子，来建立包含不同氢浓度的一系列钛的α相与β相超晶胞。
3.根据权利要求1所述的改善钛合金力学加工性能的方法，其特征在于，所述弹性模量包括体弹模量、剪切模量以及杨氏模量。
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