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D0I:10.13374/1.issm100103.2009.08.020 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug:2009 TC4钛合金压坯的吸氢行为 任学平)郭青苗)侯红亮) 章芳芳) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京航空制造工程研究所，北京100024 摘要利用管式氢处理炉研究了TC4钛合金压坯的温度一平衡氢分压关系以及吸氢动力学行为，测定了吸氢速率常数和激 活能，并分析了吸氢反应各个阶段的反应机理·结果表明，随着吸氢温度的升高，达到平衡所需要的时间缩短，吸氢后的平衡 氢分压升高.在350℃吸氢时，反应机制分别是形核长大、幂函数定律和三维扩散.在400℃吸氢时，反应机制分别是幂函数 定律和三维扩散.在450~750℃吸氢时，反应机制均是三维扩散.TC4钛合金压坯吸氢反应的激活能为14.55kJml-1. 关键词钛合金；吸氢；动力学行为：反应机制：活化能 分类号TG146.2+3 Hydrogen absorption behavior of TC4 compacts REN Xue-ping.GUO Qing-mioo HOU Hong-liang.ZHANG Fang fang 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024.China ABSTRACT The relation of equilibrium hydrogen pressure with temperature and the hydrogen absorption kinetic behavior of TC4 compacts were investigated with a tubular hydrogen treatment furnace.The rate constant,reaction mechanisms and activation energy of hydrogen absorption at different temperatures were also determined.It is found that the time to reach equilibrium decreases with increasing temperature,but the equilibrium hydrogen pressure increases with increasing temperature.The hydrogen absorption pro- cess at 350C is controlled by the nucleation and growth,power law and three-dimensional diffusion.the hydrogen absorption process at 400C is controlled by the power law and three-dimensional diffusion,while the hydrogen absorption process from 450 to 750C is only controlled by the three-dimensional diffusion.The activation energy for hydrogen absorption by TC4 compacts is found to be 14.55kmol-. KEY WORDS titanium alloys:hydrogen absorption;kinetic behavior:reaction mechanism;activation energy 氢处理技术在钛合金的热加工、机械加工、粉末（未置氢）一压形一置氢一烧结”的新工艺，可以充分 固结、复合材料制备和微观组织细化等方面具有广 利用充氢前钛合金粉末所具有的良好压制性能，获 阔的应用前景[)，在粉末固结领域的研究表明， 得良好的TC4钛合金预形坯，为了完善TC4钛合 置氢可以降低钛合金粉末的固结温度和压力，细化 金压坯的置氢过程，需要研究其吸氢行为，从反应动 组织，缩短过程时间，不仅改善了钛粉固结工艺，而 力学的角度分析吸氢反应的速率。 且制件性能也有相应提高3.因此，置氢钛合金 合金氢化反应的动力学与温度和初始氢分压有 粉末固结技术受到了广泛重视· 关，可通过改变温度和初始氢分压来研究合金氢化 国内外学者对致密钛合金吸氢动力学进行了深 反应的机制和速率控制步骤)，本文通过分析 入研究[-，但关于多孔TC4钛合金吸氢动力学的 TC4钛合金压坯在不同吸氢温度下的吸氢动力学 研究较少，一般的置氢钛合金粉末固结工艺为“混 行为，研究了吸氢温度对TC4钛合金压坯的吸氢速 粉（置氢粉）一压形一烧结”，本文中将其改为“混粉 率的影响，求解出了吸氢反应的表观活化能.这不 收稿日期：2008-10-28 基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(N。,11AZ6305) 作者简介：任学平(1957一)，男.教授，博士生导师，E-mail:xp33@mater-ustb-edu:cnTC4钛合金压坯的吸氢行为 任学平1） 郭青苗1） 侯红亮2） 章芳芳1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京航空制造工程研究所北京100024 摘 要 利用管式氢处理炉研究了 TC4钛合金压坯的温度－平衡氢分压关系以及吸氢动力学行为测定了吸氢速率常数和激 活能并分析了吸氢反应各个阶段的反应机理．结果表明随着吸氢温度的升高达到平衡所需要的时间缩短吸氢后的平衡 氢分压升高．在350℃吸氢时反应机制分别是形核长大、幂函数定律和三维扩散．在400℃吸氢时反应机制分别是幂函数 定律和三维扩散．在450～750℃吸氢时反应机制均是三维扩散．TC4钛合金压坯吸氢反应的激活能为14∙55kJ·mol －1． 关键词 钛合金；吸氢；动力学行为；反应机制；活化能 分类号 TG146．2＋3 Hydrogen absorption behavior of TC4compacts REN Xue-ping 1）GUO Qing-miao 1）HOU Hong-liang 2）ZHA NG Fang-f ang 1） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research InstituteBeijing100024China ABSTRACT T he relation of equilibrium hydrogen pressure with temperature and the hydrogen absorption kinetic behavior of TC4 compacts were investigated with a tubular hydrogen treatment furnace．T he rate constantreaction mechanisms and activation energy of hydrogen absorption at different temperatures were also determined．It is found that the time to reach equilibrium decreases with increasing temperaturebut the equilibrium hydrogen pressure increases with increasing temperature．T he hydrogen absorption process at 350℃ is controlled by the nucleation and growthpower law and three-dimensional diffusionthe hydrogen absorption process at 400℃ is controlled by the power law and three-dimensional diffusionwhile the hydrogen absorption process from450to750℃ is only controlled by the three-dimensional diffusion．T he activation energy for hydrogen absorption by TC4compacts is found to be 14．55kJ·mol －1． KEY WORDS titanium alloys；hydrogen absorption；kinetic behavior；reaction mechanism；activation energy 收稿日期：2008-10-28 基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目（No．11AZ6305） 作者简介：任学平（1957－）男教授博士生导师E-mail：rxp33＠mater．ustb．edu．cn 氢处理技术在钛合金的热加工、机械加工、粉末 固结、复合材料制备和微观组织细化等方面具有广 阔的应用前景［1－2］．在粉末固结领域的研究表明 置氢可以降低钛合金粉末的固结温度和压力细化 组织缩短过程时间不仅改善了钛粉固结工艺而 且制件性能也有相应提高［3－5］．因此置氢钛合金 粉末固结技术受到了广泛重视． 国内外学者对致密钛合金吸氢动力学进行了深 入研究［6－7］但关于多孔 TC4钛合金吸氢动力学的 研究较少．一般的置氢钛合金粉末固结工艺为 “混 粉（置氢粉）－压形－烧结”本文中将其改为 “混粉 （未置氢）－压形－置氢－烧结”的新工艺可以充分 利用充氢前钛合金粉末所具有的良好压制性能获 得良好的 TC4钛合金预形坯．为了完善 TC4钛合 金压坯的置氢过程需要研究其吸氢行为从反应动 力学的角度分析吸氢反应的速率． 合金氢化反应的动力学与温度和初始氢分压有 关可通过改变温度和初始氢分压来研究合金氢化 反应的机制和速率控制步骤［8－9］．本文通过分析 TC4钛合金压坯在不同吸氢温度下的吸氢动力学 行为研究了吸氢温度对 TC4钛合金压坯的吸氢速 率的影响求解出了吸氢反应的表观活化能．这不 第31卷 第8期 2009年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．8 Aug．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．08．020