CN111334730B - 一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光辅助热处理技术领域，具体涉及一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法。本发明将置氢处理与激光冲击结合，首次激光冲击减少了置氢处理过程中氢元素的扩散导致的缺陷，置氢后的合金在固溶时效处理与第二次激光冲击的结合下促进晶粒的进一步细化，从而提高合金的拉伸性能和延长材料的疲劳寿命，使合金拥有优异的超塑性变形特性。

Description

一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法
技术领域
本发明属于激光辅助热处理技术领域，具体涉及一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法，本方法可以减少了置氢处理过程中氢元素的扩散导致的缺陷，促进Ti6Al4V合金中的α+β→β相变过程，细化晶粒，提高Ti6Al4V合金的力学性能。
背景技术
由于钛合金室温塑性差，导热性差，弹性模量小，加工硬化严重，其加工和应用被大大的限制。现有研究表明，在钛合金中加入一定的氢元素可以促进钛合金的相变过程的转变(α+β→β)，提高钛合金的塑形和降低其热变形流动应力。
然而，在置氢处理的过程中，氢元素在合金内部的扩散由表及里，在合金表面堆积然后向内部深入，可能会出现氢元素分布不均匀，或是氢气由于载荷作用在材料的内部缺陷中形成较高的氢压，从而产生氢致裂纹或氢致鼓泡。激光冲击强化技术作为一种新型加工技术，可以在材料表面产生较高的残余压应力，而残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，从而引起裂纹的闭合效应，并且还能进一步减少置氢处理后的合金中产生的氢致鼓泡。
氢是强β稳定元素，氢元素的加入会增强β相的稳定性，会降低钛合金β区的相变温度，使合金迅速从α+β相转变为β相，阻碍由于马氏体相变、孪晶引起的形变，并在钛合金变形时推动了由于滑移而引起的塑性变形，且氢促进了超塑变形时动态再结晶的发生和进行，抵消了应变硬化的效果。再者，置氢处理还能产生以析出氢化钛为起点的细小再结晶晶粒，从而细化晶粒，与此同时，激光冲击会导致β相内产生次生α相并随着冲击次数的增多其次生α相的密度也随之增大，从而细化晶粒，提高钛合金的抗疲劳性能和抗拉伸强度。
本发明将置氢处理与激光冲击结合，首次激光冲击减少了置氢处理过程中氢元素的扩散导致的缺陷，置氢后的合金在固溶时效处理与第二次激光冲击的结合下促进晶粒的进一步细化，从而提高合金的拉伸性能和延长材料的疲劳寿命，使合金拥有优异的超塑性变形特性。
发明内容
本发明的目的是提高热氢处理过程中的效率，减少氢气压对其产生的影响，且氢化通过固溶时效处理与激光冲击强化处理结合来促进钛合金的晶粒细化，提升其拉伸，疲劳与超塑性变形性能。
本发明一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法，其特征在于，是按以下步骤进行；
A)将Ti6Al4V合金打磨，经超声振荡清洗后放入管式氢处理炉中，将炉内抽真空至10-3Pa后开始加热炉管，升温至700℃～800℃。再向炉内通入体积分数99.9％的高纯氢气，通过控制氢气的平衡分压来控制合金中的氢含量，氢气气压在10kPa～30kPa，保温1-2h，然后冷却至室温。
B)对置氢后的合金材料进行激光冲击，激光冲击参数为：激光冲击的脉冲能量2～4J，光斑直径2-3mm，激光波长1024nm，频率5～10Hz，脉宽15～ 20ns，光斑横纵向搭接率30％。
C)将冲击完后的合金放入热处理炉中，先将炉内温度升至400℃～500℃，保温10min，然后再将炉内升温至800℃～900℃，保温7～8h，停止保温并自然冷却到室温。
D)将固溶、时效处理后的钛合金置于真空管式石英炉中，利用机械泵+分子泵将炉内真空度抽至10-4Pa，然后在30min内将炉温升至700℃～800℃，保温5h，停止保温并将炉空冷至室温，在整个升温保温降温的过程中分子泵不断运转，将氢气连续抽出以维持真空度。
E)将除氢后的钛合金试样再次置于激光冲击强化系统中，设置激光冲击参数为：脉冲能量6～8J，光斑直径3mm，激光波长1024nm，频率10Hz，脉宽 20ns，光斑横纵向搭接率50％，然后对其进行激光冲击。
本发明方法的增益效果如下：
1.本发明通过脉冲能量较小的激光冲击来促进氢元素在Ti6Al4V合金内部的扩散，减少钛合金在置氢处理过程中产生的氢裂或氢致鼓泡等缺陷。
2.本发明通过脉冲能量较大的激光冲击来强化经过置氢—固溶时效—除氢处理后的Ti6Al4V合金，从而进一步提高合金的致密性以及诱导晶粒细化，提高 Ti6Al4V合金的力学性能。
附图说明
图1为激光冲击-置氢结合改善Ti6Al4V热氢处理效果和显微结构的方法的流程图
具体实施方式
置氢处理：将已备好的Ti6Al4V合金打磨，经超声振荡清洗后放入管式氢处理炉中，将炉内抽真空至10-3Pa后开始加热炉管，升温至700℃～800℃。再向炉内通入体积分数99.9％的高纯氢气，通过控制充氢系统中氢气的平衡分压以及保温时长来控制合金中的氢含量使其保持在0.1wt％～0.9wt％，氢气气压在10 kPa～30kPa，保温1-2h，然后冷却至室温；
首次激光冲击强化：将置氢处理后的合金材料放入在激光冲击强化系统上，将激光冲击的脉冲能量调为2～4J，光斑直径为2-3mm，激光波长为1024nm，频率为5～10Hz，脉宽为15～20ns，光斑搭接率为30％，然后进行激光冲击；
固溶时效处理：将冲击完后的合金放入热处理炉中，先将炉内温度升至 400℃～500℃，保温10min，然后再将炉升温至800℃～900℃，保温7～8h，停止保温并自然冷却到室温；
除氢处理：将固溶、时效处理后的钛合金置于真空管式石英炉中，利用机械泵+分子泵将炉内真空度抽至10-4Pa，然后在30min内将炉温升至700℃～ 800℃，保温5h，停止保温并将炉空冷至室温，在整个升温保温降温的过程中分子泵不断运转，将氢气连续抽出以维持真空度；
再次激光冲击强化：将除氢后的钛合金试样再次置于激光冲击强化系统中，激光冲击参数为：脉冲能量6～8J，光斑直径3mm，激光波长1024nm，频率10Hz，脉宽20ns，光斑横纵向搭接率50％，然后对其进行激光冲击，即得到激光冲击辅助热氢处理的Ti6Al4V合金材料。
实例1
热氢处理提升钛合金性能
将Ti6Al4V试样打磨，经超声清洗后放入电子天平上称重，然后放入管式氢处理炉中，将炉内抽真空后开始加热处理炉，升温至750℃，再向炉内通入体积分数99.9％高纯氢气提高处理炉中的氢压至20kPa，保温时间1h。置氢完后取出钛合金试样，再次放入电子天平上称重，计算确认其氢元素的含量为0.2wt％。将置氢后的钛合金试样放入热处理炉中，先将炉温升至450℃，保温10min，再将炉升温至850℃，保温7h，停止保温并自然冷却到室温。最后，将固溶、时效处理后的钛合金置于真空管式石英炉中，利用机械泵+分子泵将炉内真空度抽至10-4Pa，然后在30min内将炉温升至700℃，保温5h，停止保温并将炉空冷至室温。
实例2
激光冲击-置氢结合改善钛合金性能
将Ti6Al4V试样打磨，经超声清洗后放入电子天平上称重，然后放入管式氢处理炉中，将炉内抽真空后开始加热处理炉，升温至750℃，再向炉内通入体积分数99.9％高纯氢气提高处理炉中的氢压至20kPa，保温时间1h。置氢完后取出钛合金试样，再次放入电子天平上称重，确认其氢元素的含量为0.2wt％。然后将置氢处理后的钛合金放置于热处理炉中并对其进行第一次激光冲击，激光冲击的参数为脉冲能量2J，光斑直径3mm，激光波长为1024nm，频率为10Hz，脉宽为20ns，光斑搭接率为30％。激光冲击完后，合上炉盖并将炉内温度升至 450℃，保温10min，然后再将炉升温至850℃，保温7h，停止保温并自然冷却到室温。打开炉盖，将固溶时效处理后的合金放入真空管式石英炉中，利用机械泵+分子泵将炉内真空度抽至10-4Pa，然后在30min内将炉温升至700℃，保温5h，停止保温并将炉空冷至室温，在整个升温保温降温的过程中分子泵不断运转，将氢气连续抽出以维持真空度。进行第二次激光冲击，激光冲击参数为脉冲能量7J，光斑直径3mm，激光波长1024nm，频率10Hz，脉宽20ns，光斑横纵向搭接率50％。
经过相应的仪器检测，实例1中合金的平均晶粒大小为10μm，实例2中的合金的平均晶粒大小为8.7μm，减小了13％。且相较于实例1中的合金，实例 2中的合金经激光冲击后其内部产生了347MPa的残余压应力，疲劳强度提升了 16.7％，极限变形率降低了2.1％。

Claims (5)

1.一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）将Ti6Al4V合金打磨、经超声振荡清洗后置于抽真空后的管式氢处理炉中，加热炉管，升温，向炉内通入高纯氢气，通过控制氢气的平衡分压来控制合金中的氢含量，保温，然后冷却至室温；
2）再调节激光冲击参数对置氢后的合金材料进行第一次激光冲击，利用激光冲击来促进氢元素在Ti6Al4V合金内部的扩散，减少钛合金在置氢处理过程中产生的氢裂或氢致鼓泡缺陷；
3）冲击完后，对第一次激光冲击后的合金材料进行固溶、时效处理；所述的固溶、时效处理，先将炉内温度升至400 ℃～500 ℃，保温10 min，然后再将炉内升温至800℃～900℃，保温7～8 h，停止保温并自然冷却到室温；
4）将固溶、时效处理后的钛合金置于真空管式石英炉中，将炉内抽至真空，然后再将炉温升温、保温，停止保温并将炉空冷至室温；
5）最后，将除氢后的钛合金试样再次置于激光冲击强化系统中，调节激光冲击参数然后对其进行第二次激光冲击，提高脉冲能量，利用激光冲击来强化经过置氢、固溶时效、除氢处理后的Ti6Al4V合金，进一步提高合金的致密性以及诱导晶粒细化，提高Ti6Al4V合金的力学性能，得到激光冲击-置氢结合处理的Ti6Al4V合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法，其特征在于，步骤1）中，将炉内抽真空至10-3 Pa后开始加热炉管，升温至700 ℃～800 ℃，再向炉内通入体积分数99.9%的高纯氢气，通过控制氢气的平衡分压来控制合金中的氢含量，氢气气压在10 kPa～30 kPa，保温1-2 h，置氢处理后的合金氢含量为0.1 wt%～0.9 wt%。
3.根据权利要求1所述的一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法，其特征在于，步骤2）中，激光冲击参数为：激光冲击的脉冲能量2～4 J，光斑直径2-3 mm，激光波长1024 nm，频率5～10 Hz，脉宽15～20 ns，光斑横纵向搭接率30%。
4.根据权利要求1所述的一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法，其特征在于：步骤4）中，利用机械泵+分子泵将炉内真空度抽至 10-4 Pa，然后在30 min内将炉温升至700 ℃～800 ℃，保温5 h，停止保温并将炉空冷至室温，在整个升温保温降温的过程中分子泵不断运转，将氢气连续抽出以维持真空度。
5.根据权利要求1所述的一种激光冲击辅助热氢处理Ti6Al4V合金的方法，其特征在于：步骤5）中，第二次激光冲击的参数为：脉冲能量6～8J，光斑直径3 mm，激光波长1024nm，频率10 Hz，脉宽20 ns，光斑横纵向搭接率50%。
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