專利名稱：鈦合金氫處理時(shí)氫含量精確控制模型的建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦合金熱處理技術(shù)，涉及對(duì)鈦合金氫處理方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
鈦合金氫處理技術(shù)是利用氫的可逆合金化作用，重構(gòu)鈦合金的組織，進(jìn)而提高其 高溫加工性能，連接加工性能與切削加工性能，從而實(shí)現(xiàn)鈦合金高效低成本加工的一項(xiàng)新 技術(shù)。氫處理技術(shù)的工藝參數(shù)決定了其加工性能的好壞，對(duì)于不同的加工方式，所需要的氫 處理工藝參數(shù)不同，其中氫含量及其分布對(duì)加工性能的影響最為顯著，如何精確地控制氫 含量成為了這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。目前氫處理過(guò)程中常用的置氫方式為氣相置氫，氫處理過(guò)程 中通過(guò)氫壓或者保溫時(shí)間獲得不同的氫含量。通過(guò)氫壓控制氫含量的缺點(diǎn)是氫含量的控 制精度差。根據(jù)鈦合金的PCT熱力學(xué)曲線可知，在低氫階段，氫壓與氫含量滿足西華特定 率，存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著氫含量的增加，PCT熱力學(xué)曲線進(jìn)入平臺(tái)區(qū)，即氫壓不隨氫含量 的增加而變化，因此通過(guò)控制氫壓不足以實(shí)現(xiàn)氫含量的控制。通過(guò)保溫時(shí)間控制氫含量的 缺點(diǎn)是保溫時(shí)間的長(zhǎng)短決定了氫在材料中的分布，保溫時(shí)間短，可以獲得較低的氫含量， 但是，氫元素在鈦合金材料內(nèi)部的分布不均勻，材料表面的氫含量高于材料內(nèi)部的，會(huì)導(dǎo)致 材料的加工性能不均勻，影響加工質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種能提高氫含量控制精度的鈦合金氫處理時(shí)氫含量控制 模型的建立方法，以提高鈦合金材料的加工性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是鈦合金氫處理時(shí)氫含量精確控制模型的建立方法，以管式 氫處理爐為鈦合金氫處理設(shè)備，其特征在于，建立氫含量控制模型的步驟如下
1、建立氫含量控制理論模型； 1. 1、管式氫處理爐進(jìn)行氫處理時(shí)的壓強(qiáng)變化關(guān)系如下式
P1=P2+AP [1] 式中A為氫處理時(shí)管式氫處理爐的初始?xì)鋲?，單位kPa ; P2為氫處理時(shí)管式氫處理爐的平衡氫壓，單位kPa ; AP為從開始進(jìn)行氫處理到氫壓平衡狀態(tài)的壓強(qiáng)變化，單位kPa ; 1. 2、通過(guò)試驗(yàn)，確定鈦合金氫處理時(shí)平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系； 1.2. 1、表面處理； 用砂紙打磨待處理的鈦合金試樣表面，去除氧化膜，然后將鈦合金試樣放入丙酮 溶液中進(jìn)行超聲波清洗，時(shí)間不少于3min，并用天平秤重，記錄鈦合金試樣的初始質(zhì)量mi， 單位g ; 1.2.2、裝爐； 打開管式氫處理爐門，將鈦合金試樣裝入爐堂中的均溫區(qū)，關(guān)閉爐門；
1. 2. 3、抽真空、加熱；
利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X10—2pa的時(shí)，打開加熱 系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到490°C 510°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫30min 40min ;然后 升溫到試驗(yàn)溫度T，升溫時(shí)間15 35min，保溫時(shí)間30min 40min ;T為工藝規(guī)程預(yù)定的氫 處理溫度，T = 650°C 850°C ;此時(shí)，選擇試驗(yàn)溫度T的具體數(shù)值為1\ ;
1.2. 4、充氫； 打開管式氫處理爐的氫氣閥以1 10L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為t， t = 1 30min，然后停止充氫，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0. 25KPa時(shí)，此時(shí)的氫壓為平 衡氫壓，記錄此時(shí)的平衡氫壓為P21 ;
1.2. 5、降溫、出爐； 關(guān)閉加熱系統(tǒng)進(jìn)行降溫冷卻，當(dāng)爐內(nèi)溫度降低至10(TC以下時(shí)，打開爐門取出鈦合 金試樣，自然冷卻至室溫，利用天平稱重，記錄吸氫后的質(zhì)量m2，此時(shí)，試樣的氫含量C的數(shù) 值為 C,附2— 100% [2] 1. 2. 6、記錄平衡氫壓P2和氫含量C函數(shù)關(guān)系的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)步驟1. 2. 1 1. 2. 5得到在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第1組數(shù)據(jù)(P21， C》；
1. 2. 7、確定在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系；重復(fù)步驟1. 2. 1 1. 2. 6，得到平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第n組數(shù)據(jù)(P2n，Cn) ，n不小于10 ;根據(jù)第1 組 第n組數(shù)據(jù)，繪制(P2，C)關(guān)系曲線，利用數(shù)據(jù)插值擬合方法獲得平衡氫壓&與氫含量 C的函數(shù)關(guān)系如下式
P2 = f (C) [3]
1. 3、求解初始?xì)鋲篜i ; 式中P'為101. 325kPa ;
T'為273. 15K ; s為處理鈦合金材料時(shí)的充氫時(shí)間，單位min ; V為爐腔體積，單位L; v為充氫流量，單位L/min ; K為校準(zhǔn)系數(shù)，待定； 1. 4、求解壓強(qiáng)變化量A P ; AP =《^^ [5] 式中m為被處理鈦合金材料的質(zhì)量，單位g ; R為8. 3145J/mol K ; M為氫氣的摩爾質(zhì)量，M = 2g/mol ; 1.5、求解充氫時(shí)間s; 將公式[3] 、 [4]和[5]代入公式[1]，得到充氫時(shí)間s的表達(dá)式如下:<formula>formula see original document page 5</formula>
公式[6]為氫含量控制理論模型；
2、通過(guò)試驗(yàn)，確定校正系數(shù)K ;
2. 1、抽真空，加熱； 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X 10—2pa的時(shí)，打開加熱 系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到490°C 510°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫30min 40min ;然后 升溫到試驗(yàn)溫度T，升溫時(shí)間15min 35min，保溫時(shí)間30min 40min ;T為工藝規(guī)程預(yù)定 的氫處理溫度，T = 650°C 850°C ;此時(shí)，選擇試驗(yàn)溫度T的具體數(shù)值為1\ ;
2. 2、充氫； 打開管式氫處理爐的氫氣閥以v2的流速開始充氫，^ = 1 10L/min，充氫時(shí)間為 t' ，t' = lmin 30min，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0. 25KPa時(shí)，記錄此時(shí)的氫壓 為校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的爐內(nèi)氫壓P^單位kPa ;
利用下式計(jì)算溫度為1\時(shí)的校正系數(shù)K :
y f 「71 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能提高鈦合金氫處理時(shí)氫含量的控制精度，大大提高鈦合金材 料的加工性能。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。鈦合金氫處理時(shí)氫含量精確控制模型的建立方 法，以管式氫處理爐為鈦合金氫處理設(shè)備，其特征在于，建立氫含量控制模型的步驟如下
1、建立氫含量控制理論模型； 1. 1、管式氫處理爐進(jìn)行氫處理時(shí)的壓強(qiáng)變化關(guān)系如下式
P1=P2+AP [1] 式中A為氫處理時(shí)管式氫處理爐的初始?xì)鋲?，單位kPa ; P2為氫處理時(shí)管式氫處理爐的平衡氫壓，單位kPa ; A P為從開始進(jìn)行氫處理到氫壓平衡狀態(tài)的壓強(qiáng)變化，單位kPa ; 1. 2、通過(guò)試驗(yàn)，確定鈦合金氫處理時(shí)平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系； 1.2. 1、表面處理； 用砂紙打磨待處理的鈦合金試樣表面，去除氧化膜，然后將鈦合金試樣放入丙酮 溶液中進(jìn)行超聲波清洗，時(shí)間不少于3min，并用天平秤重，記錄鈦合金試樣的初始質(zhì)量mi， 單位g ; 1.2.2、裝爐； 打開管式氫處理爐門，將鈦合金試樣裝入爐堂中的均溫區(qū)，關(guān)閉爐門；
1. 2. 3、抽真空、加熱； 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X 10—2pa的時(shí)，打開加熱 系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到490°C 510°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫30min 40min ;然后 升溫到試驗(yàn)溫度T，升溫時(shí)間15min 35min，保溫時(shí)間30min 40min ;T為工藝規(guī)程預(yù)定 的氫處理溫度，T = 650°C 850°C ;此時(shí)，選擇試驗(yàn)溫度T的具體數(shù)值為1\ ;
1.2. 4、充氫；
打開管式氫處理爐的氫氣閥以1 10L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為t， t = 1 30min，然后停止充氫，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0. 25KPa時(shí)，此時(shí)的氫壓為平 衡氫壓，記錄此時(shí)的平衡氫壓為P21 ;
1.2. 5、降溫、出爐； 關(guān)閉加熱系統(tǒng)進(jìn)行降溫冷卻，當(dāng)爐內(nèi)溫度降低至10(TC以下時(shí)，打開爐門取出鈦合 金試樣，自然冷卻至室溫，利用天平稱重，記錄吸氫后的質(zhì)量m2，此時(shí)，試樣的氫含量C的數(shù) 值為 L！
c'=^^lx100% [2]
附j(luò) 1. 2. 6、記錄平衡氫壓P2和氫含量C函數(shù)關(guān)系的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)步驟1. 2. 1 1. 2. 5得到在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第1組數(shù)據(jù)(P21， C》；
1. 2. 7、確定在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系；重復(fù)步驟1. 2. 1 1. 2. 6，得到平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第n組數(shù)據(jù)(P2n，Cn) ，n不小于10 ;根據(jù)第1 組 第n組數(shù)據(jù)，繪制(P2，C)關(guān)系曲線，利用數(shù)據(jù)插值擬合方法獲得平衡氫壓&與氫含量 C的函數(shù)關(guān)系如下式
P2 = f(C) [3]
1.3、求解初始?xì)鋲篜i ; 式中:P'為101. 325kPa ; T'為273. 15K ; s為處理鈦合金材料時(shí)的充氫時(shí)間，單位min ; V為爐腔體積，單位L; v為充氫流量，單位L/min ; K為校準(zhǔn)系數(shù)，待定； 1. 4、求解壓強(qiáng)變化量AP ; AF =《^I [5] 式中m為被處理鈦合金材料的質(zhì)量，單位g ; R為8. 3145J/mol K ; M為氫氣的摩爾質(zhì)量，M = 2g/mol ; 1.5、求解充氫時(shí)間s; 將公式[3] 、 [4]和[5]代入公式[1]，得到充氫時(shí)間s的表達(dá)式如下: = —~+ ~—— l。j
^ 」 a:尸'v7; 尸vm 公式[6]為氫含量控制理論模型； 令s = s1+s2， Sl用于提供平衡氫壓，s2用于提供試樣所吸收的氫氣，與材料的質(zhì)量 與氫含量成正比。
<formula>formula see original document page 8</formula>
2、通過(guò)試驗(yàn)，確定校正系數(shù)K ;
2. 1、抽真空，加熱； 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X 10—2pa的時(shí)，打開加熱系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到490°C 510°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫30min 40min ;然后升溫到試驗(yàn)溫度T，升溫時(shí)間15min 35min，保溫時(shí)間30min 40min ;T為工藝規(guī)程預(yù)定的氫處理溫度，T = 650°C 850°C ;此時(shí)，選擇試驗(yàn)溫度T的具體數(shù)值為1\ ;
2. 2、充氫； 打開管式氫處理爐的氫氣閥以v2的流速開始充氫，^ = 1 10L/min，充氫時(shí)間為
t' ，t' = lmin 30min，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0. 25KPa時(shí)，記錄此時(shí)的氫壓
為校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的爐內(nèi)氫壓P^單位kPa ; 利用下式計(jì)算溫度為1\時(shí)的校正系數(shù)K :
<formula>formula see original document page 8</formula> 本發(fā)明的工作原理是 鈦合金氫處理過(guò)程中，對(duì)于一個(gè)目標(biāo)氫含量，充氫時(shí)間是由兩部分組成的，一部分是提供氫處理時(shí)的平衡氫壓，另一部份是提供試樣吸取的氫，本發(fā)明充分考慮了氫處理時(shí)的平衡氫壓及其與氫含量的非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，即氫處理時(shí)的熱力學(xué)關(guān)系曲線，因此所建立的模型在氫含量控制過(guò)程中精度較高。通過(guò)氫壓控制氫含量由于沒有完全考慮平衡氫壓與氫含量的非線性關(guān)系，因此控制精度較低。通過(guò)保溫時(shí)間控制氫含量是利用氫在鈦合金中的擴(kuò)散與時(shí)間的關(guān)系，由于氫在鈦合金中擴(kuò)散的影響因素較多，不易控制，因此控制精度較低。
實(shí)施例1，工藝規(guī)程預(yù)定的氫處理溫度65(TC 。
1 、建立氫含量控制理論模型； 1. 1、管式氫處理爐進(jìn)行氫處理時(shí)的壓強(qiáng)變化關(guān)系如下式
<formula>formula see original document page 8</formula> 式中A為氫處理時(shí)管式氫處理爐的初始?xì)鋲?，單位kPa ; P2為氫處理時(shí)管式氫處理爐的平衡氫壓，單位kPa ; AP為從開始進(jìn)行氫處理到氫壓平衡狀態(tài)的壓強(qiáng)變化，單位kPa ; 1. 2、通過(guò)試驗(yàn)，確定鈦合金氫處理時(shí)平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系； 1.2. 1、表面處理； 用砂紙打磨待處理的鈦合金試樣表面，去除氧化膜，然后將鈦合金試樣放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，時(shí)間不少于3min，并用天平秤重，記錄鈦合金試樣的初始質(zhì)量mi，單位g ; 1.2. 2、裝爐； 打開管式氫處理爐門，將鈦合金試樣裝入爐堂中的均溫區(qū)，關(guān)閉爐門； 1. 2. 3、抽真空、加熱； 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X10—^a的時(shí)，打開加熱系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到500°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫30min ;然后升溫到試驗(yàn)溫度650。C，升溫時(shí)間15min，保溫30min ;0116] 1.2.4、充氫；
0117] 打開管式氫處理爐的氫氣閥以1L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為t， t = 1 30min，然后停止充氫，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0. 25KPa時(shí)，此時(shí)的氫壓為平衡氫壓，記錄此時(shí)的平衡氫壓為P21 ;
0118] 1.2. 5、降溫、出爐；
0119] 關(guān)閉加熱系統(tǒng)進(jìn)行降溫冷卻，當(dāng)爐內(nèi)溫度降低至10(TC以下時(shí)，打開爐門取出鈦合金試樣，自然冷卻至室溫，利用天平稱重，記錄吸氫后的質(zhì)量m2，此時(shí)，試樣的氫含量C的數(shù)值為
0120]
附j(luò)
0121] 1. 2. 6、記錄平衡氫壓P2和氫含量C函數(shù)關(guān)系的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)步驟1. 2. 1 .2. 5得到在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第1組數(shù)據(jù)(P21， C》；0122] 1. 2. 7、確定在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系；重復(fù)步驟1. 2. 1 .2. 6，得到平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第n組數(shù)據(jù)(P2n，Cn) ，n不小于10 ;根據(jù)第1趕 第n組數(shù)據(jù)，繪制(P2，C)關(guān)系曲線，利用數(shù)據(jù)插值擬合方法獲得平衡氫壓&與氫含量:的函數(shù)關(guān)系如下式
0123] I區(qū)P2 = f (C) = -1. 18195+19. 49682C—24. 45318C2 (0. 14 < C《0. 45) [3]0124] II區(qū)P2 = f (C) = -0. 47538+6. 95959C (0. 45 < C《0. 70) [4]
0125] III區(qū)P2 = f (C) = 31. 03393-84. 03396C+65. 34889C2 (0. 70 < C《1. 11) [5]0126] 1.3、求解初始?xì)鋲篜i ;
0127]尸1=^^1 [6]
0128] 式中:P'為101. 325kPa ;0129] T'為273. 15K ;
0130] s為處理鈦合金材料時(shí)的充氫時(shí)間，單位min ;
0131] V為爐腔體積，單位L;
0132] v為充氫流量，單位L/min ;0133] K為校準(zhǔn)系數(shù)，待定；0134] 1. 4、求解壓強(qiáng)變化量AP ;
0135] ap4^^ m
0136]0137]0138]0139]0140]
0141]
式中m為被處理鈦合金材料的質(zhì)量，單位g ;
R為8. 3145J/mol K ;
M為氫氣的摩爾質(zhì)量，M = 2g/mol ;
1.5、求解充氫時(shí)間s ;
將公
式[3] [7]代入公式[l]，得到充氫時(shí)間s的表達(dá)式如下
0.0789(陽(yáng)1.18195 + 19.49682C-24.45318C2) 0.1121/wC /T ^ 、 「on
y =-^-^ +- (I區(qū))[8]
尺v v<formula>formula see original document page 10</formula>「m^， 0.0789(31.03393-84.03396C + 65.34889C2) 0.1121wC /ttt ^ 、 「inn
》=-^-^ +- (III區(qū))[IO] 公式[8] [10]為氫含量控制理論模型；
2、通過(guò)試驗(yàn)，確定校正系數(shù)K ;
2. 1、抽真空，加熱； 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X 10—2pa的時(shí)，打開加熱系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到500°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫30min ;然后升溫到試驗(yàn)溫度650。C，升溫時(shí)間15min，保溫30min ;
2. 2、充氫； 打開管式氫處理爐的氫氣閥以1L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為5min，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于O. 25KPa時(shí)，記錄此時(shí)的氫壓為校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的爐內(nèi)氫壓為21. 398kPa ; 利用下式計(jì)算溫度為650。C時(shí)的校正系數(shù)K :K = #^r=0. 337 [11〗 實(shí)施例2，工藝規(guī)程預(yù)定的氫處理溫度750。C 。
1 、建立氫含量控制理論模型； 1. 1、管式氫處理爐進(jìn)行氫處理時(shí)的壓強(qiáng)變化關(guān)系如下式
P1=P2+AP [1] 式中A為氫處理時(shí)管式氫處理爐的初始?xì)鋲海瑔挝籯Pa ; P2為氫處理時(shí)管式氫處理爐的平衡氫壓，單位kPa ; AP為從開始進(jìn)行氫處理到氫壓平衡狀態(tài)的壓強(qiáng)變化，單位kPa ; 1. 2、通過(guò)試驗(yàn)，確定鈦合金氫處理時(shí)平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系； 1.2. 1、表面處理； 用砂紙打磨待處理的鈦合金試樣表面，去除氧化膜，然后將鈦合金試樣放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，時(shí)間不少于3min，并用天平秤重，記錄鈦合金試樣的初始質(zhì)量mi，單位g ; 1.2. 2、裝爐； 打開管式氫處理爐門，將鈦合金試樣裝入爐堂中的均溫區(qū)，關(guān)閉爐門；
1. 2. 3、抽真空、加熱； 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X 10—2pa的時(shí)，打開加熱系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到500°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫35min ;然后升溫到試驗(yàn)溫度75(TC，升溫時(shí)間為25min，保溫35min ;
1.2. 4、充氫； 打開管式氫處理爐的氫氣閥以1L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為t， t = 1 30min，然后停止充氫，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0. 25KPa時(shí)，此時(shí)的氫壓為平衡氫壓，記錄此時(shí)的平衡氫壓為P21 ;0168] 1.2. 5、降溫、出爐；
0169] 關(guān)閉加熱系統(tǒng)進(jìn)行降溫冷卻，當(dāng)爐內(nèi)溫度降低至10(TC以下時(shí)，打開爐門取出鈦合金試樣，自然冷卻至室溫，利用天平稱重，記錄吸氫后的質(zhì)量m2，此時(shí)，試樣的氫含量C的數(shù)值為
0170] Li
C,-附廣 腦 [2]
附i
0171] 1. 2. 6、記錄平衡氫壓P2和氫含量C函數(shù)關(guān)系的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)步驟1. 2. 1 .2. 5得到在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第1組數(shù)據(jù)(P21， C》；0172] 1. 2. 7、確定在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系；重復(fù)步驟1. 2. 1 .2. 6，得到平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第n組數(shù)據(jù)(P2n，Cn) ，n不小于10 ;根據(jù)第1組 第n組數(shù)據(jù)，繪制(P2，C)關(guān)系曲線，利用數(shù)據(jù)插值擬合方法獲得平衡氫壓&與氫含量C的函數(shù)關(guān)系如下式1區(qū)P2 = f (C) = -0. 04395+11. 90617C-0. 27638C2 (0. 11 < C《0. 44)3]II+III區(qū):P2 = f (C) = 8. 66194-32. 53501C+55. 1347C2(0. 44 < C < 0. 87) [4]0173] 1.3、求解初始?xì)鋲篜i ;
酬[5]
0175] 式中P'為101. 325kPa ;0176] T'為273. 15K ;
0177] s為處理鈦合金材料時(shí)的充氫時(shí)間，單位min ;
0178] V為爐腔體積，單位L;
0179] v為充氫流量，單位L/min ;0180] K為校準(zhǔn)系數(shù)，待定；0181] 1. 4、求解壓強(qiáng)變化量AP ;
酬AP = ^^I [6]
0183]0184]0185]0186]0187]
式中m為被處理鈦合金材料的質(zhì)量，單位g ;
R為8. 3145J/mol K ;
M為氫氣的摩爾質(zhì)量，M = 2g/mol ;
1.5、求解充氫時(shí)間s ;
將公
式[3] [6]代入公式[l]，得到充氫時(shí)間s的表達(dá)式如下
0188]<formula>formula see original document page 11</formula>0189]
<formula>formula see original document page 11</formula>
0190] 公式[7]和[8]為氫含量控制理論模型；0191] 2、通過(guò)試驗(yàn)，確定校正系數(shù)K ;0192] 2. 1、抽真空，加熱；
0193] 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X10—、a的時(shí)，打開加熱系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到500°C，升溫時(shí)間為50min，保溫35min，然后升溫到試驗(yàn)溫度75(TC，升溫時(shí)間25min，保溫35min時(shí)間;
2. 2、充氫； 打開管式氫處理爐的氫氣閥以1L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為5min，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于O. 25KPa時(shí)，記錄此時(shí)的氫壓為校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的爐內(nèi)氫壓為25. 995kPa ; 利用下式計(jì)算溫度為75(TC時(shí)的校正系數(shù)K :"#^r=0.370 [9] 實(shí)施例3，工藝規(guī)程預(yù)定的氫處理溫度85(TC 。
1 、建立氫含量控制理論模型； 1. 1、管式氫處理爐進(jìn)行氫處理時(shí)的壓強(qiáng)變化關(guān)系如下式
P1=P2+AP [1] 式中A為氫處理時(shí)管式氫處理爐的初始?xì)鋲?，單位kPa ; P2為氫處理時(shí)管式氫處理爐的平衡氫壓，單位kPa ; A P為從開始進(jìn)行氫處理到氫壓平衡狀態(tài)的壓強(qiáng)變化，單位kPa ; 1. 2、通過(guò)試驗(yàn)，確定鈦合金氫處理時(shí)平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系； 1.2. 1、表面處理； 用砂紙打磨待處理的鈦合金試樣表面，去除氧化膜，然后將鈦合金試樣放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，時(shí)間不少于3min，并用天平秤重，記錄鈦合金試樣的初始質(zhì)量mi，單位g ; 1. 2. 2、裝爐; 打開管式氫處理爐門，將鈦合金試樣裝入爐堂中的均溫區(qū)，關(guān)閉爐門；
1. 2. 3、抽真空、加熱； 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X10—2pa的時(shí)，打開加熱系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到500°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫40min ;然后升溫到試驗(yàn)溫度850°C ，升溫時(shí)間35min，保溫40min ;
1.2. 4、充氫； 打開管式氫處理爐的氫氣閥以1L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為t， t = 1 30min，然后停止充氫，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0. 25KPa時(shí)，此時(shí)的氫壓為平衡氫壓，記錄此時(shí)的平衡氫壓為P21 ;
1.2. 5、降溫、出爐； 關(guān)閉加熱系統(tǒng)進(jìn)行降溫冷卻，當(dāng)爐內(nèi)溫度降低至10(TC以下時(shí)，打開爐門取出鈦合金試樣，自然冷卻至室溫，利用天平稱重，記錄吸氫后的質(zhì)量m2，此時(shí)，試樣的氫含量C的數(shù)值為C,^^x腦 [2]
附i 1. 2. 6、記錄平衡氫壓P2和氫含量C函數(shù)關(guān)系的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)步驟1. 2. 1 1. 2. 5得到在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第1組數(shù)據(jù)(P21， C》；
1. 2. 7、確定在溫度1\下平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系；重復(fù)步驟1. 2. 1 1. 2. 6，得到平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第n組數(shù)據(jù)(P2n，Cn) ，n不小于10 ;根據(jù)第1組 第n組數(shù)據(jù)，繪制(P2，C)關(guān)系曲線，利用數(shù)據(jù)插值擬合方法獲得平衡氫壓&與氫含量 C的函數(shù)關(guān)系如下式 I+II+III區(qū)P2 = f (C) = 1. 55142-5. 41027C+62. 02474C2(0. 08 < C < 0. 70) [3] 1.3、求解初始?xì)鋲篜i ; /^a:^^ [4] 式中:P'為101. 325kPa ; T'為273. 15K ; s為處理鈦合金材料時(shí)的充氫時(shí)間，單位min ; V為爐腔體積，單位L; v為充氫流量，單位L/min ; K為校準(zhǔn)系數(shù)，待定； 1. 4、求解壓強(qiáng)變化量A P ; AP = r^^ [5]
式中m為被處理鈦合金材料的質(zhì)量，單位g ;
R為8. 3145J/mol K ;
M為氫氣的摩爾質(zhì)量，M = 2g/mol ;
1.5、求解充氫時(shí)間s ;
將公式[3]、 [4]和[5]代入公式[l]，得到充氫時(shí)間s的表達(dá)式如下
_ i r，) , r及附c [6]
r八ow， 0.0648(1.55142-5.41027C + 62.02474C2) 0.1121wC /T TT TTT ^ 、 =-^-^ +- (I+II+III區(qū))
《v v 公式[6]為氫含量控制理論模型； 2、通過(guò)試驗(yàn)，確定校正系數(shù)K ; 2. 1、抽真空，加熱； 利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X 10—2pa的時(shí)，打開加熱 系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到500°C ，升溫時(shí)間不小于50min，保溫40min ;然后升溫到試驗(yàn)溫度 850。C，升溫時(shí)間為35min，保溫40min ;
2. 2、充氫； 打開管式氫處理爐的氫氣閥以1L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為5min，待 管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于O. 25KPa時(shí)，記錄此時(shí)的氫壓為校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的爐內(nèi)氫壓 29.895kPa ; 利用下式計(jì)算溫度為85(TC時(shí)的校正系數(shù)K :";^=0.388 [7]
權(quán)利要求
鈦合金氫處理時(shí)氫含量精確控制模型的建立方法，以管式氫處理爐為鈦合金氫處理設(shè)備，其特征在于，建立氫含量控制模型的步驟如下1.1、建立氫含量控制理論模型；1.1.1、管式氫處理爐進(jìn)行氫處理時(shí)的壓強(qiáng)變化關(guān)系如下式P1＝P2+ΔP[1]式中P1為氫處理時(shí)管式氫處理爐的初始?xì)鋲?，單位kPa；P2為氫處理時(shí)管式氫處理爐的平衡氫壓，單位kPa；ΔP為從開始進(jìn)行氫處理到氫壓平衡狀態(tài)的壓強(qiáng)變化，單位kPa；1.1.2、通過(guò)試驗(yàn)，確定鈦合金氫處理時(shí)平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系；1.1.2.1、表面處理；用砂紙打磨待處理的鈦合金試樣表面，去除氧化膜，然后將鈦合金試樣放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，時(shí)間不少于3min，并用天平秤重，記錄鈦合金試樣的初始質(zhì)量m1，單位g；1.1.2.2、裝爐；打開管式氫處理爐爐門，將鈦合金試樣裝入爐堂中的均溫區(qū)，關(guān)閉爐門；1.1.2.3、抽真空、加熱；利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2×10-2pa的時(shí)，打開加熱系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到490℃～510℃，升溫時(shí)間不小于50min，保溫30min～40min；然后升溫到試驗(yàn)溫度T，升溫時(shí)間15min～35min，保溫時(shí)間30min～40min；T為工藝規(guī)程預(yù)定的氫處理溫度，T＝650℃～850℃；此時(shí)，選擇試驗(yàn)溫度T的具體數(shù)值為T1；1.1.2.4、充氫；打開管式氫處理爐的氫氣閥以1～10L/min的流速開始充氫，充氫時(shí)間為t，t＝1～30min，然后停止充氫，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0.25KPa時(shí)，此時(shí)的氫壓為平衡氫壓，記錄此時(shí)的平衡氫壓為P21；1.1.2.5、降溫、出爐；關(guān)閉加熱系統(tǒng)進(jìn)行降溫冷卻，當(dāng)爐內(nèi)溫度降低至100℃以下時(shí)，打開爐門取出鈦合金試樣，自然冷卻至室溫，利用天平稱重，記錄吸氫后的質(zhì)量m2，此時(shí)，試樣的氫含量C的數(shù)值為 <mrow><msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>m</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <msub><mi>m</mi><mn>1</mn> </msub></mfrac><mo>×</mo><mn>100</mn><mo>%</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>[</mo> <mn>2</mn> <mo>]</mo></mrow> </mrow>1.1.2.6、記錄平衡氫壓P2和氫含量C函數(shù)關(guān)系的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)步驟1.1.2.1～1.1.2.5得到在溫度T1下平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第1組數(shù)據(jù)(P21，C1)；1.1.2.7、確定在溫度T1下平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系；重復(fù)步驟1.1.2.1～1.1.2.6，得到平衡氫壓P2與氫含量C函數(shù)關(guān)系的第n組數(shù)據(jù)(P2n，Cn)，n不小于10；根據(jù)第1組～第n組數(shù)據(jù)，繪制(P2，C)關(guān)系曲線，利用數(shù)據(jù)插值擬合方法獲得平衡氫壓P2與氫含量C的函數(shù)關(guān)系如下式P2＝f(C)[3]1.1.3、求解初始?xì)鋲篜1； <mrow><msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>K</mi><mfrac> <mrow><msup> <mi>P</mi> <mo>′</mo></msup><mi>vs</mi><msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <mrow><msup> <mi>T</mi> <mo>′</mo></msup><mi>V</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>[</mo> <mn>4</mn> <mo>]</mo></mrow> </mrow>式中P′為101.325kPa；T′為273.15K；s為處理鈦合金材料時(shí)的充氫時(shí)間，單位min；V為爐腔體積，單位L；v為充氫流量，單位L/min；K為校準(zhǔn)系數(shù)，待定；1.1.4、求解壓強(qiáng)變化量ΔP； <mrow><mi>ΔP</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mfrac> <mrow><mi>mC</mi><msub> <mi>RT</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <mi>MV</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>[</mo> <mn>5</mn> <mo>]</mo></mrow> </mrow>式中m為被處理鈦合金材料的質(zhì)量，單位g；R為8.3145J/mol·K；M為氫氣的摩爾質(zhì)量，M＝2g/mol；1.1.5、求解充氫時(shí)間s；將公式[3]、[4]和[5]代入公式[1]，得到充氫時(shí)間s的表達(dá)式如下 <mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>K</mi></mfrac><mfrac> <mrow><msup> <mi>T</mi> <mo>′</mo></msup><mi>Vf</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>C</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msup> <mi>P</mi> <mo>′</mo></msup><mi>v</mi><msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>T</mi> <mo>′</mo></msup><mi>RmC</mi> </mrow> <mrow><msup> <mi>P</mi> <mo>′</mo></msup><mi>vM</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>[</mo> <mn>6</mn> <mo>]</mo></mrow> </mrow>公式[6]為氫含量控制理論模型；1.2、通過(guò)試驗(yàn)，確定校正系數(shù)K；1.2.1、抽真空，加熱；利用管式氫處理爐的真空系統(tǒng)，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2×10-2pa的時(shí)，打開加熱系統(tǒng)加熱，從室溫升溫到490℃～510℃，升溫時(shí)間不小于50min，保溫30min～40min；然后升溫到試驗(yàn)溫度T，升溫時(shí)間15min～35min，保溫時(shí)間30min～40min；T為工藝規(guī)程預(yù)定的氫處理溫度，T＝650℃～850℃；此時(shí)，選擇試驗(yàn)溫度T的具體數(shù)值為T1；1.2.2、充氫；打開管式氫處理爐的氫氣閥以v2的流速開始充氫，v2＝1～10L/min，充氫時(shí)間為t′，t′＝1min～30min，待管式氫處理爐內(nèi)的氫壓波動(dòng)小于0.25KPa時(shí)，記錄此時(shí)的氫壓為校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的爐內(nèi)氫壓P3，單位kPa；利用下式計(jì)算溫度為T1時(shí)的校正系數(shù)K <mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mn>3</mn></msub><msup> <mi>VT</mi> <mo>′</mo></msup> </mrow> <mrow><msup> <mi>P</mi> <mo>′</mo></msup><msub> <mi>v</mi> <mn>2</mn></msub><msup> <mi>t</mi> <mo>′</mo></msup><msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>.</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>[</mo> <mn>7</mn> <mo>]</mo></mrow> </mrow>
全文摘要
本發(fā)明鈦合金氫處理時(shí)氫含量精確控制模型的建立方法屬于鈦合金熱處理技術(shù)，涉及對(duì)鈦合金氫處理方法的改進(jìn)。其特征在于，建立氫含量控制模型的步驟如下建立氫含量控制理論模型；通過(guò)試驗(yàn)，確定校正系數(shù)K。本發(fā)明能提高鈦合金氫處理時(shí)氫含量的控制精度，大大提高鈦合金材料的加工性能。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101748352SQ20101000097
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2010年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者侯紅亮, 李紅, 王耀奇 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所