第4期 郭青苗等：多孔TC4钛合金吸氢规律 461。 则上式变为： 小.相对密度d越小，样品的比表面积和孔隙度均 t=C1C十C2CH (7) 越大置氢时氢气就容易扩散进入试样内部，由于试 根据t和CH代表的实际含义知，DO,C>O, 样比表面积和内部多孔颗粒可以与氢气接触的自由 则有： 表面积的增加，置氢平衡后试样的氢含量 C4=-C2+C+4C1t 增加. (8) 2C1 质量相同但相对密度不同的多孔钛合金样品， 按照式(8)将实验数据拟合即可以获得多孔钛 可以看成是由数量相同的钛合金粉末颗粒经不同压 合金的氢含量和置氢时间之间的关系曲线。如图2 力压制成颗粒之间的孔隙大小不同的多孔样品.可 所示.实验结果和拟合曲线吻合较好.由于多孔钛 以假设这些多孔样品的孔隙总数量(N)相同，并且 合金（粉末预形坯）各部位的密度不太均匀，会造成 认为是近似球形（平均球半径为）、大小一致且均 实验点和拟合值稍微有偏差.可以认为，在不同温 匀分布在合金中，孔隙半径越大则相对密度越小. 度下置氢时，多孔钛合金在渗氢过程中，随充氢时间 在这个假设的基础上，可以分析多孔钛合金氢 的延长氢含量均增加11？， 含量与其相对密度之间的关系.将质量为m的致 密钛合金制成体积为Vo、底面半径为Ro及高L0 1.2 相对密度和置氢温度 d,1123K 的圆柱形样品.对于相对密度是d的多孔合金，如 1.0 d,1023K d.923K 果也制成同质量，同底面半径的样品，则多孔合金样 d,923K 0.8 一式(8)拟合值 品的总比表面积S由两部分组成一部分是孔隙的 0.6 总表面积另外一部分则是柱体的外表面积即： 0.4 S=Nor2+2xRoL0十尔R6 (9) 02 利用上述假设，可以求得： 20 40 60 80 100 S=No4r +2 RoLo +云G 图2多孔TC4钛合金氢含量与置氢时间的关系 (10) Fig.2 Relationship betw een hydrogen content and hydrogenation 在同样的置氢条件下，样品和氢的接触比表面 time of the porous TC4 alloy 积S越大则氢含量CH越高均，可以近似认为 23吸氢量随相对密度的变化规律 二者是成正比关系： 图3是多孔钛合金的相对密度与吸氢量间的关 CH OCS (11) 系.由图3可以看出，多孔钛合金置氢后的氢含量 即： 随其相对密度的增加而降低.分析认为，实验采用 +2R0L0日+2xR阿 的多孔钛合金样品质量和形状均相同，其相对密度 的大小反映了比表面积和内部颗粒自由表面的大 (12) 1.0 进一步将其中的常数简化，可以得到： 置氢温度 ●973K 0.8- ■1073K CH=44-1 +Be (13) 一式(13)拟合曲线 0.6 其中，A、B和C均是常数，可以通过实验进行确定. 由图3还可以看出，将数据点按照上述关系式 0,4 (13)进行拟合之后，拟合曲线和实验数据点吻合的 0.2 较好，这说明上述假设是比较合理且具备一定实用 性. 0.70 0.75 0.800.850.900.951.00 相对密度 3结论 图3多孔TC4钛合金氢含量与相对密度的关系 (1)多孔钛合金的吸氢规律与致密钛合金的有 Fig.3 Relationhip between hydrogen content and relative density 所不同.相对密度较小的多孔钛合金，吸氢量随置 of the pomus TC4 alby 氢温度的升高而增加，相对密度较大的多孔钛合金，则上式变为: t =C1C 2 H +C2CH ( 7) 根据 t 和CH 代表的实际含义知, t >0, CH >0, 则有 : CH = -C2 + C 2 2 +4C1 t 2C1 ( 8) 按照式( 8) 将实验数据拟合即可以获得多孔钛 合金的氢含量和置氢时间之间的关系曲线, 如图 2 所示.实验结果和拟合曲线吻合较好.由于多孔钛 合金( 粉末预形坯) 各部位的密度不太均匀, 会造成 实验点和拟合值稍微有偏差.可以认为, 在不同温 度下置氢时, 多孔钛合金在渗氢过程中, 随充氢时间 的延长氢含量均增加[ 11-12] . 图 2 多孔 TC4 钛合金氢含量与置氢时间的关系 Fig.2 Relationship betw een hydrogen cont ent and hydrogenation time of the porous TC4 alloy 图 3 多孔 TC4 钛合金氢含量与相对密度的关系 Fig.3 Relationship betw een hydrogen cont ent and relative density of the porous TC4 alloy 2.3 吸氢量随相对密度的变化规律 图 3 是多孔钛合金的相对密度与吸氢量间的关 系.由图 3 可以看出, 多孔钛合金置氢后的氢含量 随其相对密度的增加而降低.分析认为, 实验采用 的多孔钛合金样品质量和形状均相同, 其相对密度 的大小反映了比表面积和内部颗粒自由表面的大 小 .相对密度 d 越小, 样品的比表面积和孔隙度均 越大, 置氢时氢气就容易扩散进入试样内部, 由于试 样比表面积和内部多孔颗粒可以与氢气接触的自由 表面积的增加[ 13-14] , 置氢平衡后试样的氢含量 增加. 质量相同但相对密度不同的多孔钛合金样品, 可以看成是由数量相同的钛合金粉末颗粒经不同压 力压制成颗粒之间的孔隙大小不同的多孔样品.可 以假设这些多孔样品的孔隙总数量( N0) 相同, 并且 认为是近似球形( 平均球半径为 r) 、大小一致且均 匀分布在合金中, 孔隙半径越大则相对密度越小 . 在这个假设的基础上, 可以分析多孔钛合金氢 含量与其相对密度之间的关系 .将质量为 m 的致 密钛合金制成体积为 V0 、底面半径为 R 0 及高 L0 的圆柱形样品 .对于相对密度是 d 的多孔合金, 如 果也制成同质量, 同底面半径的样品, 则多孔合金样 品的总比表面积 S 由两部分组成, 一部分是孔隙的 总表面积, 另外一部分则是柱体的外表面积, 即 : S =N04πr 2 +2πR 0 L0 1 d +2πR 2 0 ( 9) 利用上述假设, 可以求得: S =N04π 3 V0 4πN 0 1 d -1 2 3 +2πR 0 L0 1 d +2πR 2 0 ( 10) 在同样的置氢条件下, 样品和氢的接触比表面 积 S 越大, 则氢含量 CH 越高[ 13-14] , 可以近似认为 二者是成正比关系 : CH ∝S ( 11) 即 : CH ∝ N04π 3 V0 4πN0 1 d -1 2 3 +2πR0 L0 1 d +2πR 2 0 ( 12) 进一步将其中的常数简化, 可以得到 : CH =A 1 d -1 2 3 +B 1 d +C ( 13) 其中, A 、B 和C 均是常数, 可以通过实验进行确定. 由图 3 还可以看出, 将数据点按照上述关系式 ( 13)进行拟合之后, 拟合曲线和实验数据点吻合的 较好, 这说明上述假设是比较合理且具备一定实用 性 . 3 结论 ( 1) 多孔钛合金的吸氢规律与致密钛合金的有 所不同.相对密度较小的多孔钛合金, 吸氢量随置 氢温度的升高而增加, 相对密度较大的多孔钛合金, 第 4 期 郭青苗等:多孔 TC4 钛合金吸氢规律 · 461 ·