激光选区熔化成形工艺对TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形技术制备TA15钛合金,通过光学显微镜(Optical microscope,OM)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)和室温拉伸等研究了激光功率和扫描速度对SLM成形TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响规律。结果表明:在低激光功率(100~125 W)、高扫描速率(1200~1600 mm/s)区域,激光能量密度较低,合金内部缺陷主要为不规则形状的缺陷;在高激光功率(150~200 W)、低扫描速度(800~1000 mm/s)区域,激光能量密度过高,合金内部缺陷主要为规则球形缺陷。规则球形缺陷的存在会导致合金塑性显著降低、对强度影响较弱;而不规则未熔合缺陷的存在会显著降低合金强度和伸长率。TA15钛合金的最佳工艺参数:激光功率为200 W、激光扫描速度为1600 mm/s时,成形合金拉伸强度为(1291±4.2)MPa,断裂伸长率为(8.5±0.5)%。

选区激光熔化成形2%TiB_(w)/TA15复合材料的显微组织与性能

本文通过选区激光熔化成形技术(Selective laser melting,SLM)制备原位自生2%(体积分数)TiB_(w)/TA15钛基复合材料,探究激光功率和扫描速率对该复合材料的显微组织和室温/高温力学性能的影响规律,并揭示其强化机理。结果表明:SLM-2%TiB_(w)/TA15复合材料中存在孔隙缺陷,其数量随激光功率的降低和扫描速率的增大而增加。该复合材料基体由一定生长方向的原始柱状β晶和细小层片状α相组成,TiB晶须呈弥散分布;其抗拉强度随激光功率的增大而减小,随扫描速率的增大而增大,最高室温抗拉强度为1337.8 MPa,与SLM-TA15合金相比提高了15.1%;600℃抗拉强度最高值为651.1 MPa,与SLM-TA15合金相比提高了10.1%。复合材料的维氏硬度最高为403.21HV,显著高于SLM-TA15合金(345.3HV)。该复合材料强度提升的主要强化机制为载荷传递强化、热错配强化和细晶强化。

不同道次应变分配下TA15钛合金双道次热压缩静态软化行为

在变形温度为910~970℃、应变速率为0.01 s^(-1)、道次保温时间为1000 s、总应变为0.9条件下,对TA15钛合金进行了双道次热压缩实验,研究了第一道次应变为0.25、0.45、0.65时对合金热变形过程中静态软化行为的影响。结果表明:在不同第一道次应变分配下,除变形温度为910℃且应变为0.25时,合金在道次保温间隔后均出现了静态软化现象,即第二道次流动应力峰值均低于第一道次卸载应力;第一道次应变分配较高时,由于累积畸变能较多,软化程度更为明显;变形温度越接近相变点,第一道次应变对静态软化影响程度越大;微观组织分析表明,道次保温间隔后比保温前的初生α相体积分数明显减少,减小程度与静态软化程度呈正相关性。

Ti和Fe中间层对TA15/硬质合金复合板界面结构与剪切强度的影响

钛合金和硬质合金在扩散复合过程中由于易产生脆硬化合物、热膨胀系数差异诱导高热应力等,导致界面结合性能较差。为了改善TA15/硬质合金复合材料界面结合性能,研究了中间层、复合温度以及硬质合金中Co含量对复合材料界面结构和剪切强度的影响。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)等表征方法对复合材料界面附近的元素扩散、界面化合物的类型等进行分析。通过压缩剪切实验对TA15/硬质合金复合材料的界面剪切强度进行测试。结果表明:加入中间层材料(Ti、Fe)可以在一定程度上增加界面附近元素扩散,还能够通过自身的塑性变形来释放复合界面的热应力,从而提升界面的结合性能。复合温度会影响界面附近的元素扩散速率和复合界面的组织结构,从而影响复合材料界面结合性能。

TA15钛合金低温力学性能及J-C本构模型的研究

超低温加工技术可以有效改善钛合金加工过程中存在的切削温度高、加工质量差等问题,然而,钛合金低温本构模型的缺失制约了钛合金超低温加工技术的进一步发展。以TA15钛合金为研究对象进行低温静态拉伸试验,分析了TA15合金的低温力学性能,构建了钛合金低温本构模型,并基于不等分剪切区理论验证了本构模型的准确性。试验结果表明,在低温条件下,TA15钛合金的强度提高,延伸率和塑性降低,在-196℃时材料强化阶段明显缩短;将本构模型计算获得的切削力与试验获得的切削力对比研究发现,主切削力最大误差为22.34%,最小误差为0.48%,进给力最大误差为26.32%,最小误差为1.43%。修正后的Johnson-Cook本构模型具有较高的准确性,可以为钛合金超低温加工机理的研究提供参考和指导。

热处理温度对TA15钛合金板材组织及性能的影响

本研究对冷加工态TA15钛合金板材进行了750℃、800℃、850℃和900℃四种温度的热处理,并深入探讨了处理后的显微组织、室温拉伸性能、弯曲性能、洛氏硬度和高温性能。结果显示,在750℃时,板材的横向为等轴组织,纵向含有少量拉长组织;而在800℃至900℃范围内,板材的横向和纵向均形成了均匀细小的等轴组织。随着热处理温度从750℃升至850℃,板材的拉伸强度逐渐降低,而伸长率、弯曲角度则有所增加,洛氏硬度逐渐下降。值得注意的是,800℃至850℃热处理的板材显示出优异的综合性能,特别是850℃热处理的板材已完全再结晶。因此,建议TA15钛合金冷轧板材在这个温度范围内进行热处理,以获得最佳的显微结构和力学性能。

基于JmatPro软件的TA15钛合金设计与实验

利用JmatPro软件计算了不同典型合金元素含量下TA15钛合金的相图和力学性能,明确了典型合金元素对TA15钛合金相变点、拉伸性能影响规律。研究表明:Al能提高合金的相变温度和强度,V、Mo降低了合金相变温度,但具有一定固溶强化作用,Zr对相变温度影响不显著,但对提升合金强度有利。基于优化后的成分配比,制备了Φ105mm×6mm规格的TA15钛合金无缝管并对组织和力学性能进行分析。结果表明,TA15无缝管具有双态组织,室温抗拉强度为998 MPa,延伸率17.5%;500℃高温抗拉强度可达715.5 MPa,这说明该TA15无缝管兼具了良好的室温韧塑性和高温性能。

化学铣切参数对钛合金TA15原子力显微形貌的影响

分别研究了搅拌速率、溶液配比、摆放位置、化铣时间、添加剂含量和化铣温度等化学铣切(化铣)参数对TA15钛合金显微形貌的影响,并采用原子力显微镜(AFM)表征其形貌。结果表明:增加搅拌速率、溶液配比、化铣时间和添加剂都会使得化铣之后表面粗糙度减少;随化铣温度增加,表面粗糙度先增加后减小;摆放位置对TA15钛合金表面粗糙度的影响较小。

TA15钛合金铣削加工表面完整性对疲劳寿命的影响

为优化TA15钛合金硬质合金立铣刀铣削参数,控制铣削加工表面完整性,提高构件疲劳寿命,通过铣削试验、表面完整性测试和疲劳试验,研究了TA15钛合金铣削加工表面完整性对疲劳寿命的影响。结果表明,铣削加工后TA15钛合金表面粗糙度Ra为0.148~0.245μm,最大残余压应力位于表面,残余压应力影响层深度约为30μm,硬化层深度约为70μm;疲劳寿命随着表面粗糙度的减小和表面残余压应力的增大而增大;最优的铣削工艺参数组合为:铣削速度40 m/min、每齿进给量0.03 mm/z,疲劳寿命最高为4.044×10^(5)次;拉伸断口为韧性断口,断口韧窝较深。

热处理对增材制造TA15合金微观组织及力学性能的影响

采用激光连续粉末床熔融技术制备了TA15(Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V)合金试样,并对其进行了不同温度的正火处理。采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和拉伸试验等研究了热处理温度对TA15合金试样显微组织和力学性能的影响。结果表明:当热处理温度从700℃升高到950℃时,TA15合金试样晶粒尺寸明显增大,KAM角度差明显减小,伸长率明显增加,抗拉强度和屈服强度降低,当热处理温度(1050℃)超过合金的相变温度后,会有β相生成,伸长率又会再次降低。与直接成形试样相比,经过950℃热处理后,试样的室温伸长率提升超过93%,500℃高温伸长率提升超过63.8%,基本满足了其在航空航天领域的使用需求。

基于GWO-SVR的LPBFTA15钛合金尺寸精度模型预测研究

目的由于激光粉末床熔化(LPBF)成形过程中熔池存在复杂的热膨胀和收缩行为,导致LPBF成形TA15钛合金零件尺寸与工艺参数之间存在复杂的非线性关系。为了有效预测TA15合金零件的尺寸精度,提出了一种群体智能算法结合支持向量回归(SVR)模型的方法。方法以激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚为实验变量,以成形零件X、Y、Z3个方向的尺寸精度作为响应。通过正交实验设计生成数据集,建立以LPBF工艺参数为输入、TA15合金尺寸精度为输出的SVR模型。利用灰狼算法对SVR模型的超参数进行优化,并采用统计评价指标与SVR、PSO-SVR模型进行对比。结果通过粒子群(PSO)算法和灰狼(GWO)算法优化的SVR模型能够有效预测LPBF成形TA15合金不同方向上的尺寸精度;其中GWO-SVR模型的预测精度和效率最高,在X方向尺寸精度预测模型上的决定系数(R^(2))、平均绝对相对误差(AARE)和均方根误差(RMSE)依次为0.917、19.7%、0.027,在Y方向尺寸精度预测模型上的R^(2)、AARE和RMSE依次为0.906、9.7%、0.021,在Z方向尺寸精度预测模型上的R^(2)、AARE和RMSE依次为0.911、10.3%、0.019。结论采用GWO优化的SVR模型,其预测性能和计算效率显著提高,研究结果可为增材制造TA15合金的尺寸精度预测提供数据支持和理论参考。

退火温度对TA15钛合金显微组织和力学性能的影响

TA15钛合金产品通常都要进行退火处理。为揭示退火温度对其显微组织和力学性能的影响,对ϕ350 mm的TA15钛合金试棒分别进行了在760℃、800℃和840℃保温2 h空冷至室温的退火。随后采用扫描电镜和电子万能拉伸试验机检测了试棒的显微组织、室温和高温拉伸性能以及拉伸断口的形貌。结果表明:随着退火温度的升高,β相转变的组织增多,细小的α相充分球化且杂乱分布;随着退火温度的升高,合金的室温抗拉强度升高,室温屈服强度先升高后略微降低,断后伸长率降低,而高温抗拉强度和屈服强度均升高,塑性变化不大,拉伸断口的韧窝变大变浅,以韧性断裂为主。

AuNi钎料钎焊TA15与K4648接头微观组织及性能

TA15钛合金与K4648高温合金异质连接件可用于航空航天发动机部件,对实现发动机轻量化及提高推重比具有重要意义。采用Au-17.5Ni(wt.%)钎料对TA15钛合金与K4648高温合金异质金属进行钎焊,研究了钎焊接头的界面组织与形成机制,分析了钎焊温度与保温时间对接头组织与性能的影响。结果表明,钎焊接头的典型组织为:TA15/β-Ti+Ti_(2)Ni+Ti_(3)Au/Ti_(2)Ni+Ti_(3)Au/富Ti相/Ti-Cr-Ni三元Laves相/(Cr,Ni)固溶体/K4648。液态钎料中的Au、Ni元素向两侧母材中扩散,同时TA15一侧母材溶解,大量Ti元素与钎缝中的Au、Ni反应,在TA15界面生成β-Ti与Ti_(3)Au、Ti_(2)Ni共析组织;溶解的Ti元素扩散至K4648界面富集并与Cr、Ni反应,生成Laves相反应层;当使用AuNi钎料在1000℃保温10 min时,接头拉剪强度最高为72 MPa。

焊接工艺参数对TA15/304不锈钢真空扩散焊接头组织与抗剪强度影响

针对TA15钛合金与304不锈钢的异种金属连接及其接头进行了研究.结果表明,在850~950℃的焊接温度下,接头扩散区(β-Ti区)和(α+β)-Ti双相区的宽度随温度的升高而增加,元素扩散更充分,接头孔洞逐渐减少,观察到逐渐增加的分层产物.分层产物主要为金属间化合物组成的界面层,即σ-Fe(第1层),FeTi+Fe_(2)Ti(第2层),FeTi+β-Ti(第3层)和β-Ti(第4层).当焊接温度为900℃时,焊接接头达到最大抗剪强度为108 MPa,随着焊接时间的提升,焊接接头的微观形貌,元素成分和物相组织与焊接温度参数接头类似,但焊接时间对接头的抗剪强度影响较小,当焊接时间为80 min时,抗剪强度达到最大,断口出现以韧性为主的脆-韧性混合断裂特征.

激光沉积TA15钛合金的裂纹扩展行为

采用标准CT试样测定了激光沉积TA15钛合金疲劳裂纹扩展速率,结合微观组织、裂纹扩展路径以及断口形貌分析疲劳裂纹扩展机理;并基于ABAQUS与FRANC 3D联合仿真的方法,模拟裂纹尖端应力强度因子并进行寿命预测。结果表明,激光沉积制造态的裂纹扩展速率低于锻造态,裂纹主要穿过片状α相(αl),少量沿αl扩展,稳定扩展区清晰可见疲劳条纹,并伴随大量的二次裂纹,瞬断区为典型的韧性断裂。另一方面,ABAQUS与FRANC 3D联合仿真计算的应力强度因子与理论值吻合较好,预测寿命相对误差低于5%,且证实了预测结果保守,验证了模拟分析的可靠性,确保了工程应用中的安全性。

不同规格TA15钛合金板材微观组织与拉伸性能的研究

通过包覆叠轧工艺,对TA15钛合金进行轧制加工,研究不同规格TA15钛合金板材的微观组织以及拉伸性能。研究发现:不同规格板材RD和TD方向的微观组织中,均有大量的细小α晶粒在组织中均匀分布,相比与TD方向的微观组织,板材RD方向的微观组织中除细小α晶粒,还存在一定的带状组织。两种不同规格的板材中,发现厚度较薄板材的强度较高,进一步对比,发现两种规格板材RD方向强度相对较低。不同规格板材的拉伸断口形貌整体上显示出相似的特征,均是以韧窝为主,且部分小韧窝分布在尺寸较大的韧窝内部。除了典型的韧窝特征外,发现TD方向的拉伸断口中,还存在撕裂棱以及微裂纹。

TA15钛合金相变温度与锻造温度符合性确认

针对TA15钛合金相变温度与两相区(α+β)锻造加热温度符合性问题,对TA15钛合金棒料及锻件进行了多批次对比性的工艺验证,结果表明:TA15棒料相变点测定有效区间在992~996℃,根据相变点选取原则,将两相区(α+β)锻造加热温度(955±5)℃进行固化并进行试验,锻件形状、尺寸、力学性能、高低倍组织、超声检测等全部达到了规定的技术要求。

TA15钛合金断口组织特征与持久断裂关联性的研究

通过一系列高温持久试验,结合金相显微镜、扫描电镜组织分析,研究了TA15钛合金持久断口附近晶粒分布以及断口附近的变形特征与持久断裂的关联性。结果表明:高温400℃、加载应力为440 MPa时,相比较于纵向试样,横向试样的持久寿命较长,说明其持久性能较优异;观察断裂位置和夹持端的组织特征后,再与持久断裂时间比较发现,断口处的晶粒尺寸明显大于夹持端的晶粒尺寸,并且持久断口处的组织形态有明显拉长;扫描电镜下的断口组织显示,试样断裂形式均为韧窝聚集型断裂,经对比发现,横向试样的裂纹扩展途径曲折,并且韧窝比较深,纵向试样韧窝呈现出不规则形状,韧窝较浅。

TA15钛合金薄板组织与拉伸性能

使用2450 mm轧机对TA15钛合金进行薄复叠轧轧制加工,使用光学显微镜、扫描电子显微镜以及拉伸性能试验,对薄板进行微观组织和拉伸性能研究。结果表明:薄板的组织主要由α晶粒组成,在各α晶粒之间存在黑色的残余β相,α晶粒的形貌以等轴状与细长条状为主,存在一定的轧制加工形貌。薄板的轧制方向(TD)与薄板的横向(RD)方向的拉伸性能十分接近,断口微观形貌均由大量等轴状韧窝构成,具有明显的韧性断裂特征,除包含大量韧窝外,还包含少量的小平面,小平面十分光滑且圆润,同时发现一定数量的二次裂纹。

激光选区熔化TA15材料缺陷分布研究

激光选区熔化(SLM)技术可以实现复杂构件的高精度快速制造,虽然在航空航天领域得到了广泛应用,但成形件内部难以避免地会存在缺陷。针对实际产品的SLM成形工艺改进和确定产品质量验收条件的需要,采用扫描电镜对与实际产品相同工艺制备的TA15材料试样开展了缺陷分布研究。结果表明:试样内部主要存在气孔和未熔合缺陷,不同厚度试样的缺陷均呈现相同的分布规律,即未熔合缺陷主要分布于试样的表面区域,气孔缺陷主要为无规则的弥散分布,整体而言,缺陷的分布呈现一定的聚集性趋势。