氢对TC21钛合金热物理性能的影响

张小雪，项运良，陈文杰，袁宝国

氢对TC21钛合金热物理性能的影响

张小雪1，项运良2，陈文杰3，袁宝国3

（1. 安徽三联学院 机械工程学院，合肥 230601；2. 中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039； 3. 合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009）

获得氢含量对TC21钛合金密度、热扩散系数、比热容和热导率等热物理性能的影响规律。利用固态置氢法对TC21钛合金进行氢处理，利用固体密度测试仪、激光导热仪和差示扫描量热仪等设备测定原始及含有不同氢含量TC21钛合金的热物理性能。随着氢含量的增加，TC21钛合金的密度呈线性降低趋势；TC21钛合金在不同温度下的比热容和热导率等均呈波折状变化规律。在不同温度下，氢含量对TC21钛合金热扩散系数的影响规律不同。当氢含量相同时，随着温度的升高，TC21钛合金的热扩散系数、比热容和热导率等均逐渐变大。氢对TC21钛合金的热物理性能具有重要影响。

钛合金；氢处理；热物理性能

钛合金由于具有比强度高、高温性能好、防腐蚀能力强等优异特性，被广泛应用于航空、航天、船舶、化工等领域[1-3]，是一种理想的金属结构材料。热物理性能指钛合金材料本身固有的特性，密度、热扩散系数、比热容和热导率等热物理性能是衡量钛合金材料性能优劣的依据之一。

钛合金氢处理技术是近年来兴起的一种新技术[4-6]，该技术是利用氢在钛合金中的强扩散性，把氢作为一种临时合金化元素，借助氢致塑性、氢致相变以及钛合金中氢的可逆合金化作用，实现钛氢系统最佳组织结构、改善加工性能的一种新方法。利用该技术可以改善钛合金的加工性能、提高钛制件的使用性能、降低钛产品的制造成本以及提高钛合金的加工效率。

近年来，有些学者对置氢钛合金的热物理性能进行了研究。李红等[7]研究了氢对TC4钛合金热物理性能的影响，发现在置氢前后，虽然TC4钛合金比热容和热导率的变化规律在各个温度点不同，但随着测试温度的升高，不同氢含量TC4钛合金的比热容和热导率普遍提高。随着氢含量的增加，TC4钛合金的密度稍有减小。王耀奇等[8]研究发现，随着温度的升高，置氢TC4钛合金的导热系数呈单调递增趋势，与未置氢合金相比，置氢TC4钛合金的导热系数增幅更显著。

TC21钛合金是我国西北有色金属研究院自主研制的一种新型高强度、高韧性、高损伤容限的α+β型双相钛合金，其名义成分为Ti-6Al-2Zr-2Sn- 2Mo- 1.5Cr-2Nb，具有比TC4钛合金更加优越的综合力学性能。作为一种重要的结构工程材料，TC21钛合金被广泛应用于航空、航天等工业领域[9-11]。目前国内外对置氢TC21钛合金热物理性能的研究较少，因此，文中拟利用固态置氢法对TC21钛合金进行氢处理，使用热物理性能测试设备研究氢对TC21钛合金密度、热扩散系数、比热容和热导率等热物理性能的影响。

1 试验

使用的试验材料为热加工态的TC21钛合金棒材，其微观组织如图1所示。由图1可知，TC21钛合金由大量的等轴状α相和少量的β相组成。氢处理试验用试样为6 mm´9 mm的TC21钛合金圆柱形试样，试样先经砂纸打磨，去除试样表面的氧化膜，然后在无水乙醇溶液中超声波清洗，最后吹干。在自制的管式氢处理装置中，利用固态置氢法对TC21钛合金进行氢处理，置氢温度为1123 K，保温时间为2 h，初始氢压分别为6.325，16.325，26.325，36.325，46.325，56.325，66.325 kPa，对应的氢质量分数依次为0.181%，0.357%，0.496%，0.649%，0.803%，0.934%，1.093%。

采用流体静力学法测量原始以及不同氢含量TC21钛合金的密度，该法以阿基米德原理为基础，通过测量物体浸于液体中所受的浮力确定物体的体积，进而求出其密度[12]。所用设备为群隆仪器有限公司生产的DX-100E型固体密度测试仪，环境温度为293 K；所用溶剂为去离子水，去离子水在293 K时的密度为0.998 23 g/cm3。文中利用式（1）计算合金的密度[12]。

图1 原始TC21钛合金的微观组织

式中：为试样的密度（g/cm3）；为试样在空气中的质量（g）；′为试样浸没于溶剂中的质量（g）；w为溶剂的密度（g/cm3）；0为干燥空气的密度，干燥空气在标准大气压和293 K下的密度为0.001 205 g/cm3。

采用德国耐驰公司生产的LFA457型激光导热仪测定原始以及不同氢含量TC21钛合金的热扩散系数，所用试样的尺寸为6 mm´2.5 mm。在试验过程中，设备先抽真空，再通入氦气保护，热扩散系数测量的温度点分别为298，473，673，873，1073 K。

采用德国耐驰公司生产的DSC214型差示扫描量热仪测定原始以及不同氢含量TC21钛合金的比热容，所用试样的尺寸为3 mm´1 mm，试验过程中采用氮气保护，测试温度范围为293～873 K，加热速率为10 K/min。

将原始以及不同氢含量TC21钛合金的密度、热扩散系数和比热容等代入热导率计算式，见式（2）[13]，计算出原始以及不同氢含量TC21钛合金的热导率。

=1P(2)

式中：为热导率（W/(m·K)）；1为热扩散系数（mm2/s）；p为比热容（J/(g·K)）。

2 结果与分析

2.1 置氢TC21钛合金的密度

图2为原始及不同氢含量TC21钛合金的密度。由图2可知，随着氢含量的增加，TC21钛合金的密度呈线性降低趋势。原始TC21钛合金的密度为4.587 g/cm3，当氢质量分数达到1.093%时，TC21钛合金的密度为4.350 g/cm3，较原始TC21钛合金降低了约5.2%。经拟合可知，TC21钛合金的密度与氢含量之间的关系可以用式（3）表示。

=4.576−0.219H(0≤H≤1.093%) (3)

式中：为TC21钛合金的密度（g/cm3）；H为TC21钛合金的氢含量。

图2 原始及不同氢含量TC21钛合金的密度

钛合金经氢处理后，氢以间隙元素的形式固溶于钛合金[14-15]，使得密排六方晶格的α相和体心立方晶格的β相发生了不同程度的晶胞体积膨胀。图3为原始及不同氢含量TC21钛合金的晶胞体积变化曲线。由图3可知，对于α相，当氢质量分数小于0.496%时，α相的晶胞体积随着氢含量的增加呈线性增大趋势；当氢质量分数超过0.496%时，α相的晶胞体积变化不大，说明氢在α相中已达到饱和。α相晶胞体积与氢含量之间的关系如式（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为α相晶胞体积。

氢含量对β相晶胞体积的影响与对α相的影响不同。由图3b可知，β相的晶胞体积随着氢含量的增加逐渐变大，基本呈线性增加的趋势。经拟合可知，β相的晶胞体积与氢含量之间的关系可用式（6）表示。

β=35.239+1.637H(0≤H≤1.093%) (6)

式中：β为β相晶胞体积。

与原始TC21钛合金相比，当氢质量分数为1.093%时，合金中α相的晶胞体积膨胀率为1.74%，β相的晶胞体积膨胀率达到了5.04%，表明氢在β相中的溶解度高于其在α相中的溶解度。综合以上分析可知，TC21钛合金经氢处理后，α相与β相均发生了晶胞体积膨胀，虽然在渗氢过程中，合金的质量也在增加，但质量的增加量低于合金体积的增加量，最终导致TC21钛合金的密度随氢含量的增加逐渐降低。

图3 原始及不同氢含量TC21钛合金的晶胞体积

2.2 置氢TC21钛合金的热扩散系数

图4为原始及不同氢含量TC21钛合金在不同温度下的热扩散系数。由图4可以看出，在不同温度下，氢含量对TC21钛合金热扩散系数的影响规律不同。当温度为298 K时，随着氢含量的增加，TC21钛合金的热扩散系数先逐渐降低；当氢质量分数达到0.357%时，合金的热扩散系数达到最小值（比原始合金降低了约49.2%）；当氢质量分数超过0.357%时，合金的热扩散系数略有升高，再之后，氢含量逐渐对TC21钛合金热扩散系数影响变得不明显。当温度为473，673，873 K时，随着氢含量的增加，TC21钛合金的热扩散系数均呈线性降低趋势；当氢质量分数为1.093%时，TC21钛合金在473，673，873 K时的热扩散系数较原始合金分别降低了32.3%，33.7%，32.0%，表明在473，673，873 K时，TC21钛合金传播温度变化的能力均随氢含量的增加而逐渐减小。经拟合可知，当温度为473，673，873 K时，TC21钛合金的热扩散系数与氢含量之间的关系可用式（7—9）表示。当温度达到1073 K时，TC21钛合金的热扩散系数随着氢含量的增加不再呈降低趋势，而是在5.4～6.1 mm2/s间波动，表明氢含量对TC21钛合金在1073 K时的传播温度变化能力影响不明显。当氢含量相同时，TC21钛合金的热扩散系数均随着温度的升高而增加。

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为试样的热扩散系数（mm2/s）。

图4 原始及不同氢含量TC21钛合金在不同温度下的热扩散系数

2.3 置氢TC21钛合金的比热容

图5为原始及不同氢含量TC21钛合金在不同温度下的比热容。由图5可知，随着氢含量的增加，TC21钛合金在不同温度下的比热容均呈波折状变化。当温度为298～673 K时，TC21钛合金比热容的变化均呈增加-降低-增加-降低-增加-降低等反复升降的规律。当温度为773 K和873 K时，TC21钛合金比热容的变化均呈降低-增加-降低-增加-降低的规律。当氢质量分数为0.357%时，TC21钛合金在不同温度下的比热容均达到最小值；当氢质量分数为0.934%时，TC21钛合金在不同温度下的比热容均达到最大值。在298，373，473，573，673，773，873 K温度下，TC21钛合金比热容波动的幅度分别为0.269 11，0.315 36，0.371 74，0.426 10，0.525 83，0.640 09，0.801 09 J/(g·K)。可见，随着温度的升高，不同氢含量TC21钛合金比热容波动的幅度逐渐变大，即高温下氢含量对TC21钛合金比热容的影响较大。当氢含量相同时，TC21钛合金的比热容均随着温度的升高逐渐变大。

2.4 置氢TC21钛合金的热导率

图6为原始及不同氢含量TC21钛合金在不同温度下的热导率。由图6可知，随着氢含量的增加，TC21钛合金在不同温度下的热导率具有相似的变化规律，均呈降低-增加-降低-增加-降低的波折状变化。在298，473，673，873 K温度下，原始及不同氢含量TC21钛合金热导率波动的幅度分别为4.782，4.297，7.068，18.877 W/(m·K)。可以看出，随着温度的升高，氢含量对TC21钛合金热导率的影响变显著。当氢含量相同时，随着温度的升高，TC21钛合金的热导率也逐渐变大。

图5 原始及不同氢含量TC21钛合金在不同温度下的比热容

图6 原始及不同氢含量TC21钛合金在不同温度下的热导率

3 结语

随着氢含量的增加，TC21钛合金的密度呈线性降低趋势。当氢质量分数为1.093%时，TC21钛合金的密度较原始合金降低了约5.2%。经氢处理后，TC21钛合金中α相和β相均发生了晶胞体积膨胀。相较于原始TC21钛合金，当氢质量分数为1.093%时，合金中α相的晶胞体积膨胀率为1.74%，β相的晶胞体积膨胀率达到了5.04%。

在不同温度下，氢含量对TC21钛合金热扩散系数的影响规律不同。当温度为298 K时，随着氢含量的增加，TC21钛合金的热扩散系数先逐渐降低，然后略有升高，最后基本不变；当温度为473，673，873 K时，随着氢含量的增加，TC21钛合金的热扩散系数均呈线性降低趋势。当温度达到1073 K时，随着氢含量的增加，TC21钛合金的热扩散系数在5.4～6.1 mm2/s间波动。当氢含量相同时，TC21钛合金的热扩散系数均随着温度的升高而增加。

随着氢含量的增加，TC21钛合金在不同温度下的比热容均呈波折状变化。随着温度的升高，不同氢含量TC21钛合金比热容波动的幅度逐渐变大。当氢含量相同时，TC21钛合金的比热容均随着温度的升高逐渐变大。

随着氢含量的增加，TC21钛合金在不同温度下的热导率均呈波折状变化。随着温度的升高，氢含量对TC21钛合金热导率的影响变显著。当氢含量相同时，随着温度的升高，TC21钛合金的热导率也逐渐变大。

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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

国家自然科学基金（51875157）；安徽三联学院自然科学重点项目（KJZD2019005）；安徽高校优秀拔尖人才培育资助项目（gxyq2021238）

张小雪（1985—），女，硕士，讲师，主要研究方向为材料成形及组织性能控制。

袁宝国（1979—），男，博士，教授，主要研究方向为材料塑性成形理论及工艺、钛合金热氢处理技术。