1、引言

鈦合金由于其高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性和優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于海洋工程、航空航天、汽車制造、石油化工和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-3]。然而，氫脆(hydrogen embrittlement，HE)仍然是鈦合金服役的一個(gè)重大挑戰(zhàn)[4-6]。鈦對氫有很高的親和力，在材料的加工和服役過程中會(huì)吸收大量的氫，超過其臨界氫濃度會(huì)引發(fā)鈦合金中的氫脆，從而導(dǎo)致強(qiáng)度和延展性的大幅降低[7-9]。鈦合金的氫脆行為是由成分、組織與氫相互作用決定的，對于TC4(Ti-6Al-4V)雙相合金，不同組織會(huì)引起新的界面效應(yīng)和氫化物轉(zhuǎn)變機(jī)制[10-12]，但對該機(jī)制的詳細(xì)研究較少。研究不同組織TC4合金中氫化物轉(zhuǎn)變行為對了解鈦合金氫脆機(jī)制具有重要意義。

在鈦合金中，密排六方(hexagonal close packed,hcp)α相和體心立方(body-centered cubic,bcc)β相中氫的擴(kuò)散速率和溶解度不同，導(dǎo)致兩相中氫的濃度存在顯著差異[13]。氫在β相中更易溶解，具有比a-Ti更高的擴(kuò)散系數(shù)，且在α相中溶解度較低[14]。在100℃以下時(shí)氫在a-Ti中的溶解度<1at%。當(dāng)氫濃度超過溶解度極限時(shí)，可觀察到面心四方(face-centered tetragonal,fct)y-TiH/E-TiH或面心立方(face-centered cubic,fcc)δ-TiH(1.5<x<1.99)氫化物[15-17]。Kim等[18]研究了室溫下氫化物的形成及其對損傷演化機(jī)制的影響，在充氫初期，β相由于其高擴(kuò)散速率和鄰接性，優(yōu)先與氫形成固溶體，同時(shí)伴隨著體積膨脹，在a/β邊界附近產(chǎn)生局部應(yīng)力，這導(dǎo)致氫被限制在邊界附近，沿著界面處形成氫化物。但是氫化物形成和分解過程中氫原子的分布難以表征。Kong等[19]發(fā)現(xiàn)連續(xù)分布的β相使得鈦合金中氫的吸收率更大，β相為氫在合金內(nèi)部的輸運(yùn)提供通道，加速氫的遷移。Cheng等[20]增材制造的網(wǎng)籃組織TC4合金，降低了β相比例，減少了a/β相界面，有效地阻止了氫的傳遞。由上述研究可知，TC4合金中兩相的比例和結(jié)構(gòu)影響氫的擴(kuò)散行為。但對于不同顯微結(jié)構(gòu)的TC4合金氫化物轉(zhuǎn)變機(jī)制還缺乏實(shí)驗(yàn)研究。

為明確氫在不同組織雙相鈦合金中的轉(zhuǎn)變行為，采用電化學(xué)充氫方法對片層和雙態(tài)組織的TC4合金進(jìn)行充氫。采用X射線衍射分析了氫對晶格參數(shù)的影響以及氫化物相轉(zhuǎn)變，利用中子成像和掃描電子顯微鏡技術(shù)研究了對充氫后氫濃度以及氫化物的分布。利用背散射衍射和透射電子顯微技術(shù)研究了片層和雙態(tài)組織氫化物轉(zhuǎn)變機(jī)制。

2、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為2種不同組織的TC4合金，見圖1，熱處理制度為650℃/4h，空冷。充氫樣品尺寸為8mm 8mmx6mm，樣品用環(huán)氧樹脂固定，留下8mmx8mm的暴露面作為充氫擴(kuò)散表面,磨至2000#砂紙。在磷酸和甘油按體積比1:2組成的電解液中進(jìn)行充氫實(shí)驗(yàn),外加電流為0.2A,充氫時(shí)間12h,充氫后用丙酮除去環(huán)氧樹脂。充氫前后分別利用 X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)技術(shù)(日本理學(xué) Smart Lab 9 kW)對樣品表面晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,以獲得充氫后材料的晶格參數(shù)和相組成變化。

利用中國散裂中子源(China spallation neutron source,CSNS)的能量分辨中子成像儀  [21]分析充氫后樣品中的氫分布。中子是一種不帶電的粒子,能夠穿透材料,但材料中氫原子的質(zhì)子與中子發(fā)生強(qiáng)烈的非彈性散射和相干散射相互作用時(shí)會(huì)使透過率發(fā)生顯著的衰減,因此可以利用中子透過率隨氫含量增加而降低的關(guān)系表征樣品中的氫含量。為了獲得完整的氫濃度和分布的定量信息,必須對中子透過率和氫含量關(guān)系進(jìn)行校正  [22]。當(dāng)樣品的成分和微觀結(jié)構(gòu)均勻時(shí),中子透過率僅由氫含量的差異引起。在中子成像中,圖像每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值可轉(zhuǎn)化為中子透射率,進(jìn)而可利用透過率計(jì)算得到氫濃度  [22]。實(shí)驗(yàn)采用分辨率為  2048 ×  2048像素的圖像,以左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)建立坐標(biāo)系,像素點(diǎn)位置由坐標(biāo)(x, y)確定。基于此,可計(jì)算得到圖像中每個(gè)像素點(diǎn)位置的中子透射率 T(x, y)。計(jì)算得到的中子透過率 T(x, y)與對應(yīng)的氫濃度  C H (x, y)存在以下關(guān)系:

式中, a為不含氫材料的中子透射率, b為中子對氫濃度的靈敏度,  C H 為氫濃度。此前 Wang等  [23]在相同中子成像實(shí)驗(yàn)條件下,擬合得雙相鈦合金中子靈敏度  b =1.25wt%,本實(shí)驗(yàn)中樣品與其所采用樣品同為雙相鈦合金,成分相近而組織存在一定差異,但中子透過率主要由氫含量的差異引起,因此中子靈敏度仍沿用  b =  1.25wt%,在無氫條件下,片層組織和雙態(tài)組織的中子透過率a=58.72%和68.92%,因此不同組織中中子透過率T(x,y)與氫含量CH(x,y)的關(guān)系表示為T(x,y)=58.72e  ?1.25C H (x,y)和T(x,y)=68.92e  e ?1.25C H (x,y),后續(xù)樣品中不同位置的氫濃度均由此式計(jì)算所得。

利用ONH836氧氮?dú)浞治鰞x對充氫后樣品上下表面氫含量進(jìn)行化學(xué)分析,并與中子成像結(jié)果進(jìn)行對比。為對充氫后樣品氫化物層顯微組織進(jìn)行掃描表征,將樣品磨制拋光后,采用 Hitachi High-Tech SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)采集氫化物襯度更明顯的背散射電子(back scattered electron, BSE)圖像。利用 FE-SEM上配備的電子背散射探頭(electron backscattered diffractometer, EBSD)對氫化物形貌和取向進(jìn)行表征,采用 FEI Talos F200X型場發(fā)射透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)對氫化物結(jié)構(gòu)表征,透射樣品用砂紙打磨至 50～60μm,然后用  5%HClO₄ 、 35%  C₄H₉OH和  60%CH₃OH溶液在?25 °C和 15V下進(jìn)行電解雙噴并在 GATAN695. C離子減薄儀上進(jìn)行擴(kuò)孔與減薄。

3、結(jié)果與分析

3.1充氫前后樣品表面相組成

圖 2顯示了片層組織與雙態(tài)組織 TC4合金充氫前后樣品表面的 XRD圖譜。經(jīng)恒電流充氫處理后, 2種組織XRD圖譜發(fā)生明顯變化。如圖 2a所示,充氫后片層組織原始  α相和  β相的相對強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化,新生成  δ-TiH氫化物相的(111)、(002)晶面衍射峰  (2θ = 35.9 °, 41.7 °)顯著增強(qiáng)。前后峰位對比表明,  β相(110)晶面衍射峰向低衍射角區(qū)偏移  0.98 °,對應(yīng)晶面間距膨脹  2.45%(d =  0.2817 nm增加至 0.3375 nm)。這是由于  β相具有較高的氫溶解度和親和度,氫的固溶導(dǎo)致了其晶格膨脹。而片層組織中  α-Ti特征峰完全消失,表明  α相已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為氫化物相。

圖 2b對比了雙態(tài)組織充氫處理前后樣品表面的相組成變化。在相同充氫條件下,雙態(tài)組織衍射圖譜中除  β相和  δ氫化物相的特征峰外,仍存在  α相的  (10 1  1)晶面特征峰,表明該組織  α到  δ轉(zhuǎn)變不完全。同時(shí)充氫過程中引發(fā)晶格參數(shù)變化，β相(110)晶面衍射峰向低衍射角區(qū)偏移0.7°，對應(yīng)晶面間距由0.285nm膨脹至0.3247nm(△d/d=1.73%),而α相(10\overline{1}1)晶面峰向高衍射角區(qū)偏移0.05°，晶格收縮率為0.09%。Kim等[18]研究表明，由于室溫下氫在α-Ti中的溶解度很小，α相峰位變化排除相內(nèi)溶質(zhì)氫的影響，而是a晶粒周圍氫化物的形成產(chǎn)生壓應(yīng)力，應(yīng)力場的調(diào)節(jié)導(dǎo)致a晶粒的受擠壓，從而使得平均a晶格間距減小。

2種組織充氫后樣品表面均有氫化物相生成，相同充氫時(shí)間下片層組織中α相全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠锒p態(tài)組織中仍有部分α相，因此不同組織形貌對氫化物的轉(zhuǎn)變比例有明顯影響。片層組織中更大的相界面密度更有利于氫擴(kuò)散[24]，因此具有連續(xù)β相的片層組織比雙態(tài)組織擴(kuò)散表面的氫化物覆蓋率高。

3.2顯微組織對氫濃度分布的影響

為研究顯微組織對氫的分布的影響，利用中子成像技術(shù)對充氫處理后的試樣進(jìn)行氫濃度分布分析，氫縱向分布情況如圖3所示。充氫處理后片層組織(圖3a)表現(xiàn)出顯著的氫濃度梯度分布，表面擴(kuò)散區(qū)氫濃度最高，最大氫含量達(dá)0.915wt%(對應(yīng)圖中紅色區(qū)域)，與氫化學(xué)分析實(shí)測值0.92wt%基本吻合(如表1所示),表面的氫濃度值遠(yuǎn)超過合金固溶度，從而在表面形成氫化物。同時(shí)，氫濃度隨擴(kuò)散距離的增加而降低。圖3b雙態(tài)組織的氫分布圖顯示出相似的擴(kuò)散規(guī)律，但表面高濃度區(qū)(紅色區(qū)域)分布范圍明顯減小，最高氫含量為0.85wt%(實(shí)測值0.88wt%)，與片層組織相比氫濃度降低約6.9%。

為量化表征2種顯微組織的氫擴(kuò)散行為，沿試樣中線構(gòu)建氫分布曲線如圖3c。如圖3c所示，2種組織氫分布曲線幾乎重合，充氫試樣的氫濃度隨擴(kuò)散距離增加逐漸降低，在深度超過2mm區(qū)域變化逐漸平緩。靠近擴(kuò)散表面曲線斜率為常數(shù)，在圖中虛線右側(cè)逐漸過渡至零。文獻(xiàn)[23]研究表明，虛線左側(cè)部分對應(yīng)于氫化物相的形核與生長區(qū)域，虛線對應(yīng)的距離為氫化物擴(kuò)散層厚度。

表1充氫樣品氫化學(xué)分析

片層組織與雙態(tài)組織的氫化物層厚度均在0.53mm左右。綜上，片層組織與雙態(tài)組織氫分布幾乎一致，但片層組織擴(kuò)散表面氫含量更高，這是由于片層組織樣品氫化物轉(zhuǎn)變比例更高導(dǎo)致，中子成像結(jié)果與XRD結(jié)果一致。

3.3顯微組織對氫化物層形貌的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證XRD和中子成像的結(jié)果，詳細(xì)表征氫化物形貌隨擴(kuò)散深度的變化，利用掃描電鏡的背散射模式對氫化物形貌進(jìn)行表征。圖4和圖5分別為片層組織和雙態(tài)組織氫化物分布圖。圖中由于背散射電子信號(hào)強(qiáng)度與材料的平均原子序數(shù)(Z)相關(guān)，原子序數(shù)越大的區(qū)域亮度越高。β相以釩(V,Z=23)和鈦(Ti,Z=22)為主要元素，平均原子序數(shù)較高，呈現(xiàn)亮灰色;α相以鋁(Al,Z=13)和鈦為主，原子序數(shù)較低，呈灰色;氫化物中含有氫元素，氫的原子序數(shù)僅為1，遠(yuǎn)低于TC4合金基體中鈦等主要元素的原子序數(shù)，因此，氫化物區(qū)域產(chǎn)生的背散射電子數(shù)量極少，在圖像上呈現(xiàn)黑色。氫化物種類有2種:α相內(nèi)部和相界面處，圖中分別用IG(intragranular)與PB(phase boundary)表示。圖4a顯示了片層組織靠近擴(kuò)散表面區(qū)域(<10μm)氫化物分布,圖中α相內(nèi)部彌散分布大量條狀氫化物,同時(shí)αβ相界面處可見連續(xù)分布的條狀氫化物，而β相中未發(fā)現(xiàn)氫化物。如圖4b當(dāng)擴(kuò)散深度為30μm時(shí)，α相晶內(nèi)氫化物數(shù)量減少，界面氫化物仍保持連續(xù)分布特征。在60μm(圖4c)和90μm(圖4d)區(qū)域，α相內(nèi)氫化物幾乎消失，界面氫化物數(shù)量顯著減少，因此氫化物含量隨著擴(kuò)散距離的增加有明顯的濃度梯度，在一定程度上反映了氫濃度在合金中的濃度梯度，與中子成像結(jié)果相符。隨著距離擴(kuò)散表面的距離增加，氫濃度降低，α相內(nèi)部氫化物消失僅存在α/β相界面的氫化物，這與Deconinck等[14]的研究結(jié)論相符。在室溫條件下氫在α相中的擴(kuò)散速率較慢，大部分氫原子未能深入樣品中心，氫化物主要在高氫濃度的表層區(qū)域形成。氫在  β相中的擴(kuò)散速率和溶解度更高,氫原子優(yōu)先在  α/β相界面積聚,氫化物優(yōu)先沿  α/β相界面形成。隨著氫濃度增加,氫原子向α相中擴(kuò)散，當(dāng)氫濃度超過α相溶解度時(shí)，在α相中生成條狀氫化物。

由圖5a可知,雙態(tài)組織擴(kuò)散層表面區(qū)域存在大量貫穿α相晶粒的條狀氫化物,這些氫化物呈現(xiàn)交叉分布特征,但并未完全充滿a晶粒。在a/β相界面處,氫化物交替排列形成一定厚度的氫化物層。當(dāng)距離到30μm時(shí)(如圖5b),雙態(tài)組織區(qū)域中的α相內(nèi)部氫化物幾乎消失,僅保留相界面處的層狀氫化物分布。隨著擴(kuò)散距離繼增加至60和90μm,氫化物數(shù)量顯著減少,僅能在相界面處觀察到少量離散分布的氫化物。

通過對比 2種組織中氫化物形態(tài),發(fā)現(xiàn)顯微組織對氫化物的形核產(chǎn)生顯著的影響。由于  β相是氫的主要擴(kuò)散路徑,  β相片層越寬,氫含量越多,氫化物形核驅(qū)動(dòng)力就越高，因此，雙態(tài)組織殘留  β相片層更寬，相界氫化物層更寬。另外,在擴(kuò)散表面附近,片層組織中α晶粒幾乎被氫化物覆蓋,雙態(tài)組織中等軸a晶粒尺寸顯著大于片層組織，部分a基體未發(fā)生氫化物轉(zhuǎn)變。

3.4顯微組織對氫化物變體選擇的影響

利用EBSD研究了TC4合金片層組織和雙態(tài)組織對氫化物變體選擇的影響,表征位置距離擴(kuò)散層表面30μm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6a為片層組織的相分布圖,其中紅色和藍(lán)色分別代表合金的  α相和  β相,黃色區(qū)域?yàn)闅浠锵唷浠镏饕植荚? α/β相界面和α相基體中,且在氫濃度較高的區(qū)域,氫化物幾乎完全覆蓋α晶粒。圖像表明氫化物的生長呈現(xiàn)明顯的取向依賴性,特定取向的集束有利于氫化物快速生長。圖 6b為圖6a中選定區(qū)域的放大IPF圖,通過分析確定了氫化物的 2種取向關(guān)系:

OR1和OR2的跡線分別用黑色和白色線條標(biāo)出,其中 OR2觀察到 2種變體 V1:(0001)  ) α //(1 1  1) δ ,[11  2  0]  ) α //[110]和 V2:(0001)  ) α //( 1  1 1  ) δ , [11 2  0] α //[110] δ 。圖 6c的極圖(PFs)展示了圖 6b中標(biāo)記的 OR1、OR2-V1和 OR2-V2的取向細(xì)節(jié)。其中,黑色三角形表示α基體的極點(diǎn),OR1、OR2-V1和OR2-V2分別用玫紅圓點(diǎn)、藍(lán)色和紅色圓點(diǎn)標(biāo)出,重疊的極點(diǎn)用黑色圓圈標(biāo)記。不同相極點(diǎn)圖的重疊可以表征氫化物相轉(zhuǎn)變過程中的取向關(guān)系。通過對 IPF圖中氫化物表征,氫化物在  α/β相界面處主要遵循OR2取向,同時(shí)存在少量OR1取向;而在α相內(nèi)部,氫化物主要遵循OR2取向關(guān)系。此外,2種互為孿晶關(guān)系的OR2變體同時(shí)由相界面向片層內(nèi)生長,呈現(xiàn)出明確的  {0001}//{1\overline{1}1}氫化物界面以及{1\overline{1}1}孿晶界面。

圖7為雙態(tài)組織TC4合金充氫后的相分布特征及氫化物變體取向標(biāo)定結(jié)果。圖7a的雙態(tài)組織相分布圖顯示,氫化物優(yōu)先在α/β相界面處形核并生長,形成界面氫化物層。雙態(tài)組織中氫化物的分布與晶粒尺寸密切相關(guān),小尺寸晶粒內(nèi)部氫化物厚度顯著大于大晶粒內(nèi)部,小尺寸晶粒更有利于氫化物形核長大。圖7b的 IPF圖進(jìn)一步揭示了雙態(tài)組織中氫化物的晶體學(xué)取向關(guān)系，氫化物分布主要取向?yàn)镺R2，在小尺寸晶粒的晶界處觀察到少量OR1取向的氫化物。圖7c的極圖顯示，2種OR2變體(V1和V2)互為孿晶并在相界面處呈現(xiàn)交替形核現(xiàn)象。

2種組織樣品中的氫化物與a基體相主要遵循統(tǒng)一的晶體學(xué)取向關(guān)系(OR2)。此外，與片層組織相比，雙態(tài)組織中氫化物層厚度顯著增加，這與β片層的尺寸效應(yīng)密切相關(guān)。根據(jù)Kim等[18]的研究，氫化物相的晶格膨脹效應(yīng)在α/β界面處產(chǎn)生局部應(yīng)力，這種應(yīng)力場限制了氫的擴(kuò)散路徑。雙態(tài)組織中較厚的β片層在氫化過程中表現(xiàn)出更大的絕對體積膨脹量為氫化物形核提供了更大的驅(qū)動(dòng)力，在雙態(tài)組織相界面處，氫化物相優(yōu)先形核，因此片層組織雖吸氫速率快但雙態(tài)組織由于應(yīng)力的存在，在相界面氫化物優(yōu)先形核，形成更厚的氫化物。

3.5顯微組織對氫化物形核機(jī)制的影響

為了探究不同顯微組織中氫化物形核機(jī)制,對充氫后樣品進(jìn)行了TEM分析，其結(jié)果如圖8和圖9所示。圖8a展示了片層組織α相內(nèi)部的條狀氫化物的形貌，通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫濃度增加超過α相的溶解度時(shí)，會(huì)在α相中形成氫化物。氫化物的形成位置有2種，一種是如圖藍(lán)線中所標(biāo)注的氫化物在相界面形核向 α相內(nèi)部生長;另一種是在α相內(nèi)部特定晶面處形核，并沿固定取向關(guān)系生長如圖中紅色框中表示，2種生長方式的氫化物與SEM和EBSD中表征結(jié)果一致。圖8b為紅色框標(biāo)記區(qū)域的選區(qū)電子衍射SAED分析，衍射斑點(diǎn)對應(yīng)于δ相[011]帶軸與α基體[2110]帶軸的關(guān)系，標(biāo)定結(jié)果表明氫化物嚴(yán)格遵循OR2取向關(guān)系:

與EBSD圖像所表征的氫化物取向相同，氫化物以條狀沿著OR2取向生長。在衍射斑點(diǎn)中出現(xiàn)如圖所示多余的衍射斑，因此對氫化物界面形貌進(jìn)行了高分辨表征，其結(jié)果如圖8c所示，可知?dú)浠镏車嬖诖蠓秶讓渝e(cuò)，這是氫化物轉(zhuǎn)變的中間體(將在下段展開論述)。

圖9為雙態(tài)組織樣品中氫化物的TEM照片。圖9a顯示了α/β相界面處氫化物TEM照片。片層狀的氫化物分布于α/β相界面。為了進(jìn)一步表征氫化物與基體之間的取向關(guān)系，將圖9a中圓圈區(qū)域氫化物與α相界面放大得到如圖9b所示的HRTEM圖，結(jié)合快速傅里葉變換(FFT)分析得出圖9c~9e的衍射斑點(diǎn),分析發(fā)現(xiàn)氫化物  δ相與α相有

的OR2取向關(guān)系。同時(shí)從HRTEM圖像中可以發(fā)現(xiàn)，fcc的氫化物相與基體之間的過渡區(qū)存在較大范圍的{0001}層錯(cuò)，Hu等[25]研究表明在fcc相界面處，{0001}層錯(cuò)形成的12R長周期有序結(jié)構(gòu)是fcc相轉(zhuǎn)變的中間狀態(tài)，hcp相通過多個(gè)中間態(tài)逐步過渡到fcc晶格，每一步都通過基層位錯(cuò)調(diào)節(jié)。因此，在氫化物界面處的{0001}層錯(cuò)形成的周期性結(jié)構(gòu)，是氫化物轉(zhuǎn)變的中間態(tài)。

通過片層組織和雙態(tài)組織的TEM表征,片層組織中氫化物從α/β界面處形核，并沿OR2取向關(guān)系向α相內(nèi)部生長，形成連續(xù)的條狀結(jié)構(gòu)。雙態(tài)組織中氫化物優(yōu)先在a/β界面處擴(kuò)展，呈現(xiàn)沿界面生長的特征，其生長方向嚴(yán)格遵循OR2取向關(guān)系。

3.6氫化物的形核及生長機(jī)制

圖10為電化學(xué)充氫過程中TC4不同組織氫化物形成的機(jī)理圖。如圖所示上表面為擴(kuò)散面，在電化學(xué)充氫過程中氫由擴(kuò)散層表面逐漸向內(nèi)擴(kuò)散，隨著充氫時(shí)間的增加，由于氫原子在β相中具有更高的溶解度和擴(kuò)散速率,氫原子在α/β相界面積聚。隨著氫濃度的增加,鈦氫化物在氫過飽和的α相中以氫化物板條的形式成核。2種組織中氫化物種類均為2種:相界面處氫化物和a晶內(nèi)氫化物。

圖10a為片層組織氫化物形成機(jī)制示意圖。充氫初期，β相憑借更高的氫擴(kuò)散速率與α/β界面處的快速擴(kuò)散通道效應(yīng)，導(dǎo)致相界面氫濃度急劇升高。局部高濃度氫誘發(fā)晶格應(yīng)力集中，在界面處形成OR2取向關(guān)系的  δ-氫化物[25]。由于氫原子在相界面上的擇優(yōu)聚集，  δ-氫化物呈現(xiàn)細(xì)長條狀形態(tài)。隨著氫濃度進(jìn)一步增加，氫化物從相界面向a基體內(nèi)以板條形式擇優(yōu)生長。生長過程中產(chǎn)生的晶格畸變效應(yīng)促使氫化物沿特定晶體學(xué)方向集束生長，2種互為孿晶關(guān)系的OR2變體同步向片層內(nèi)部擴(kuò)展。這種生長機(jī)制通過優(yōu)化晶格應(yīng)變能，有效緩解了氫化物相變引起的晶格膨脹失配，從而實(shí)現(xiàn)氫化物在a基體中的持續(xù)穩(wěn)定生長。

雙態(tài)組織氫化物形核示意圖如圖10b所示，雙態(tài)組織相界面處氫化物2種OR2取向變體以孿晶形式沿著相界面處交替形核長大。β相及a/β界面作為氫擴(kuò)散快速通道，氫富集引發(fā)β相晶格膨脹[26]，在相界面處形成局部應(yīng)力集中區(qū)驅(qū)動(dòng)OR2取向變體交替形核。2種組織中氫化物片層組織氫化物含量更高，晶內(nèi)氫化物更多，雙態(tài)組織因β相通道更寬，應(yīng)力場作用范圍更大，導(dǎo)致相界處氫化物厚度更大，體現(xiàn)了組織對氫化物形貌演化的影響作用。

4、結(jié)論

1)相同充氫條件下，充氫樣品內(nèi)部存在氫濃度梯度，且2種組織樣品梯度相近，隨著距擴(kuò)散表面距離的增加，氫含量下降。片層組織和雙態(tài)組織TC4樣品擴(kuò)散表面均形成了δ氫化物，且氫化物層厚度相近。其中片層組織樣品擴(kuò)散表面氫含量以及氫化物體積分?jǐn)?shù)均高于雙態(tài)組織樣品。

2)氫化物層中氫化物體積分?jǐn)?shù)隨著距擴(kuò)散面距離的增加而減小。氫在β相中的擴(kuò)散速率和溶解度皆高于α相，因此，氫化物優(yōu)先在a/β相界面形核。顯微組織類型影響氫化物的形核和分布，相比片層組織，雙態(tài)組織β相片層更寬導(dǎo)致相界面氫化物層寬度更大，且等軸  α晶粒尺寸較大，擴(kuò)散表面殘留更多a基體。

3)在片層與雙態(tài)組織中氫化物取向均以O(shè)R2為主:{0001}α//{111}δ<1210>α//<110>δ存在2種氫化物變體 V1 :  (0001)α//(111)δ，<1120>α//<110>δ 和V2 :  (0001)α//(111)δ，<1120>α//<110>δ ,且2種變體互為孿晶關(guān)系。片層組織中2種變體在α/β相界面處形核并向α晶內(nèi)生長;而雙態(tài)組織中2種氫化物變體在相界面附近交替形核生長。

4)2種組織中氫化物形核機(jī)制相近，皆呈現(xiàn)層錯(cuò)調(diào)控的多級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)制。hcp結(jié)構(gòu)的α相先通過{0001}晶面的層錯(cuò)形成12R長周期有序結(jié)構(gòu)，再由亞穩(wěn)的有序結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc結(jié)構(gòu)的氫化物相。

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（注，原文標(biāo)題：顯微組織對TC4鈦合金氫化物轉(zhuǎn)變的影響_張童）

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