Tungsten最新文章推荐: 通过δ-TiH2纳米孪晶相优化Ti6Al4V的强度及抗氢脆性能
背景介绍
背景介绍
氢脆威胁钛合金构件的稳定性和安全性。含0.3wt%氢的Ti6Al4V合金的力学性能表明，热氢处理会使其延伸率显著下降至4.2%，且无颈缩断裂。本研究采用750℃ 5min的真空短时退火工艺处理，在保留δ-TiH2相、纳米孪晶、纳米板条组织等细晶结构及高密度位错的同时，有效降低了氢分子含量。该工艺使得Ti6Al4V-0.3H合金的抗拉强度显著提升至1224 MPa，并使均匀延伸率恢复至7.7%。热氢与真空短时退火处理不仅能显著缓解氢脆效应，更能通过引入δ-TiH2相及纳米孪晶有效提升钛合金的强度。
文章亮点
文章亮点
1.提出“热氢+真空短时退火”的协同工艺，在不牺牲均匀延伸率的同时，保留δ-TiH2强化相，抑制快速氢脆。
2.以氢原子/分子形式存在缺陷与晶格间隙处，导致脆化。而δ-TiH2相及其纳米孪晶、α/β纳米板条及高密度位错构成强化骨架，提升屈服强度和抗拉强度。
内容简介
内容简介
近日，长沙理工大学刘小春教授、李天乐讲师联合上海交通大学、日本东北大学和韩国浦项科技大学在Tungsten发表题为“Hydrogen embrittlement resistance and strength enhancement of Ti6Al4V alloy by nanotwined δ-TiH2 phase”的研究内容。通过热氢及真空短时退火处理显著提升了Ti6Al4V合金的强度，并保留优异的均匀延伸率。
为提高钛合金构件在富氢环境下的服役可靠性，本研究以Ti6Al4V合金为研究对象，提出了一种高效的热氢与真空短时退火的协同工艺。在有效除去Ti6Al4V晶格中游离的氢的同时，保留了δ-TiH2纳米孪晶相、纳米板条组织及高密度位错。该工艺使得合金材料在保持高强度的同时显著恢复塑性，实现了抗氢脆性能与强度的同步优化。
图文解析
图1 不同处理的Ti6Al4V试样的力学性能对比：(A) 工程应力-应变曲线，(B) 本研究试样与文献中Ti6Al4V试样的抗拉强度和均匀延伸率对比.
力学性能结果表明，热氢处理及真空短时退火试样（THT-750）呈现连续屈服与明显的加工硬化现象，但无颈缩行为。热氢试样（THT）呈现明显氢脆现象，延伸率大幅缩减至4.2%。结合文献中TC4合金的拉伸性能，热氢后真空短时退火可提升TC4合金的均匀延伸率且不会显著降低抗拉强度。
图2 Ti6Al4V合金的显微结构：(A-C) EBSD图，其中(A)为原始试样，(B)为THT试样，(C)为THT-750试样；(D) 不同处理试样的XRD图；(E,F)热氢试样中δ-TiH2相的SEM图.
这些结果表明热氢处理有利于α向β相转变及δ-TiH2相的形成，且δ-TiH2主要分布与α/β相界或晶粒内部。而β相占比的增加，提供了丰富的滑移系，有利于与在多个滑移面上激发与促进位错运动，从而协同局部塑性。但由于SEM分辨率的限制，THT和THT-750试样中厚度小于100nm的δ-TiH2相的精细结构及对宏观力学性能的影响需进一步研究。
δ-TiH2相的TEM结果表明热氢处理后试样中具有丰富的层状δ-TiH2孪晶相，且孪晶形成时伴随大量的位错。由于板条中相互平行的密集孪晶存在，有助于位错在晶界滑移，提升塑性。此外，EDS结果也表明，δ-TiH2相形成于β/α界面处。对于宏观力学性能，还应考虑热氢过程中α相和β相间的相转变对显微组织的影响。
图3 THT试样中δ-TiH2相的TEM、AC-TEM及EDS结果：(A) 明场图；(B) δ-TiH2相及孪晶的暗场图；(C) 图(A)中黄色圆圈标记的选区电子衍射(SAED)图，(D)孪晶的TEM高分辨及SAED图；(E) 高角环形暗场(HAADF)像；(F)孪晶及孪晶界的原子尺度图；(G) δ-TiH2的TEM低倍图；(H) Ti、Al、V元素分布图；（I）Al、V线扫结果及HAADF强度分布图.
THT试样中α及β相的TEM结果表明，由于氢原子极小的原子半径，可存在于四面体或八面体间隙并相互扩散，引起了两相中显著的晶格畸变，通过形成位错以缓解应力集中，并促进晶格转变形成了大量纳米片层或板条组织。然而，由于位错间及位错与晶格畸变间相互作用的非均匀性，部分位置在热氢处理后仍保持近乎理想状态。这也表明因氢原子较强的扩散能力，在局部氢浓度较高的区域，更易促进δ-TiH2相形核及位错产生。
图4 THT试样中α相和β相的TEM及AC-TEM结果：(A) β相的明场图；(B) β相板条组织的暗场图；(C) β相的原子尺度高分辨图；(D) TEM高分辨图；(E) 图(D)对应的几何相位分析（GPA）图；(F)α相的明场图；(G) α相的TEM高分辨图；(H) 图(G)对应的GPA图；（I）STEM高分辨图.
THT-750试样中板条组织表征结果表明，相比于THT试样，进一步的真空短时退火处理并未显著改变微观结构及相比例。因此，短时退火处理在有效去除热氢后的游离氢分子的同时，有效地保留了纳米孪晶及板条组织，这使得试样在显著恢复塑性的同时，有效提高了材料的强度，实现了抗氢脆性能与强度的协同优化。
图5 THT-750试样中板条组织结构及宽度统计结果：(A) δ-TiH2相的明场图；(B) β相的明场图；(C) α相的明场图；(D-F) 分别对应于图(A-C)的板条宽度分布及统计数据.
全文小结
1.热氢诱导δ-TiH2相及其纳米孪晶形成；
2.对比了氢原子/分子和氢化钛对塑形变形行为的影响；
3.热氢协同真空短时退火工艺，实现了良好强塑性匹配。
作者简介
刘小春，博士，长沙理工大学金属研究所所长，特聘教授，湖湘学者，湖南省杰出/优秀青年基金获得者，湖南省科技创新青年人才，以第一作者或通讯作者发表论文，包括Science、Nature等。申请人自建高端科研硬件基础设施，建成国内最大规模的电子显微表征与分析平台，聚焦金属材料、能源和半导体领域，兼顾基础科学与技术应用两方面，大胆创新，提出学术与商业化并行的观点，探索一条由科学家自筹资金、自我激励主导的“自下而上”新型科研发展模式，并初步取得了成功。
李天乐，男，长沙理工大学材料科学与工程学院讲师。2023年在上海交通大学获得博士学位。目前主要从事钛合金及钢材料研究。在扩散焊和超塑工艺方面开展研究，专注于疲劳及塑性机制方面研究。以第一作者作者发表论文近20篇，包括Advanced Science、Advanced Power Materials、International Journal Plasticity、Scripta Materialia等；
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编辑、校对/刘琳琳
审核/马雯
引用
Chen, L., Xiang, H., Wu, R. et al. Hydrogen embrittlement resistance and strength enhancement of Ti-6Al-4V alloy by nanotwined δ-TiH2 phase. Tungsten (2026).
