钛合金氢脆的失效分析

钛合金氢脆的失效分析

摘要：氢脆是钛合金在使用过程中失效的主要原因之一，它严重影响着钛合金的生产和应用。本文主要介绍了钛合金氢脆的机理、影响因素、预防措施及应用等进行了阐述，并对存在的问题和发展前景进行探讨。

关键词：钛合金，氢脆，机理，影响因素，预防措施

Failure analysis of titanium alloys to hydrogen

embrittlement

ABSTRACT：Hydrogen embrittlement is one of the main reasons for failure of titanium alloy in the course of it a serious impact on the titanium alloy production and applications. This paper describes the mechanism of the titanium alloy to hydrogen embrittlement, influencing factors, preventive measures and applications are described and the problems and prospects to explore.

KEY WORDS：Titanium alloys, hydrogen embrittlement, influencing factors, preventive measures

引言

由于钛合金优良的比强度、刚性和耐腐蚀性能以及它们在高温下的良好性能，而成为广泛地用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，被誉为现代金属[1]。但是，当这些合金与含氢环境接触时，钛合金和氢之间的相互作用便会产生极端和严重的问题，造成脆化或开裂，形成氢脆。氢脆是石油、天然气、化工、冶金、航空、航天、核工业、能源等部门机械失效的主要原因之一，因此备受人们的重视，对其行为、规律、机理和控制进行了广泛的研究，并取得了丰富的成果。

1 钛合金氢脆的机理

氢脆(hydrogen embrittlement)是指氢原子(H)侵人材料内部并且在一些晶格缺陷聚集巾形成氢分子(H2)，体积膨胀导致材料内部破裂[2]。造成材料氢脆的氢原子来源很多，在这些氢原子来源中，有的是材料加工或制造过程无意产生的。

1.1 氢与钛的相互作用

氢一钛间的相互作用，主要是氢在钛的α和β相溶解度的变化和形成氢化物，对于不同钛合金，氢对其的影响也不一样。

氢和钛的相互作用，随着直接由β相形成的仅+氢化物相而发生一简单的共析转变形式，氢对β相区强烈稳定的影响导致α一β转变温度从882。C下降到300。C的一共析温度。在600。C以上的高温下，氢在β相中的最终溶解度(未形成氢化物相)可高达50at.％。然而，在α相中，300℃下氢的最终溶解度只有近7at.％，并且随温度下降而快速下降。在第Ⅳ族过渡金属中，氢趋向于占据四面体间隙位置。结果，由于相对开放的体心立方(bcc)结构造成了β

钛中氢较高的溶解度及快速扩散(尤其在高温下)，此bcc结构由12个四面体和6个八面体间隙构成。相比之下,α钛的密排六方(hcp)晶格则只有4个四面体和2个八面体间隙位置。采用LECO RH一404定氢仪测定经形变热处理后获得两种不同显微组织一双相和完全片状组织的Ti一6A1—4V合金在不同注入条件下电化学加氢后的氢含量。比较电化学加氢后在双相和完全片状组织的Ti一6A1—4V合金中的吸氢情况，发现不管注入条件如何，片状组织合金中所吸收的氢浓度总是高于双相组织中的。因为氢在β相中的扩散速率比在α相中的大几个数量级，所以具有更为连续的β相的显微组织，诸如完全片状的显微组织将比β相不连续的显微组织，诸如双相显微组织中细的等轴α吸收更多的氢。提高外加电流密度导致两种材料的氢浓度更高，但完全片状组织的合金吸收的氢还是更多些。

通过实验发现在室温下钛的氢化物氢化钛有3种不同的类型，即δ、ε和γ[3]。随着氢原子占据四面体间隙位置(CaF2结构)，δ一氢化物(TiHχ)具有面心立方晶格，而δ一氢化物的非化学计量系数X范围很大1.5—1.99)。在氢浓度高时(x≥1.99)，δ一氢化物便从无扩散型的转变成面心四方(fct)结构(37~C以下c/a≤1)的ε一氢化物。而在氢浓度低时(1—3at.％)，便形成c/a>1的fct结构的亚稳态γ一氢化物。在γ一氢化物结构中，氢原子占据了1/2的四面体间隙位置。

1.2 钛合金氢脆的机理

钛发生氢脆的过程实质上就是氢在钛中积聚生成钛氢化物，并在钛基体中渗透扩散，最后导致脆性开裂的过程。氢在钛中的扩散渗透过程包括如下进程[4]：一是渗入钛基体中的氢与钛氢化合物自身分解的氢在氢压的推动作用下在钛基体内的扩散过程；二是氢被位错所携带一同运动而进行的扩散过程；三是形成的钛氢化合物的生成和迁移过程。

氢在钛中有一定的固溶度，该固溶度存在最大临界值，当钛中的氢含量超过了氢在钛中的固溶度时，就与钛结合生成氢化钛。钛是副族元素，其核外D 轨道存在2个电子空位，扩散在其中的原子氢的核外电子易进入D轨道，钛氢化合物的标准生成吉布斯焓变很负，从热力学角度来说也是很容易生成的。当氢进一步富集，钛氢化合物就将继续向前延展生成并且积聚。如果氢与钛形成的钛氢化物的量达到了一定程度，钛基体的塑性就会显著降低，并在外加应力的作用下，钛发生塑性变形，并从氢化物的富集区开始发生脆性断裂。黄显亚等通过金相显微镜、透射电镜和/ 光衍射仪等手段对EFF 断口的研究发现，EFF 裂纹尖端生成的氢确实进入钛合金基体，并形成氢化物沉淀，并发现氢在钛中的迁移不仅可以依靠扩散，还可能源自位错扫运机制来实现。

2 钛合金氢脆的影响因数

2.1 钛合金发生氢脆的条件

钛及其合金在使用期问发生氢脆必须同时具备下列3个条件。

①介质的pH值低于3或高于12．

②环境温度高于77℃。但有时在较负的电位下或电化。

学反应产生很高氢压时。在较低温度下可能发生氢脆。

③存在某种产生氢的作用过程。

2.2 影响因数

影响钛合金氢脆的因数有很多，大致可以分为两大类,内部因数和外部因数。

2.2.1 内部因数

①成分[5]