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)%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

激光冲击强化对TA15钛合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

采用激光能量30 J、圆形光斑φ4 mm,冲击2次工艺对TA15钛合金小孔结构进行激光冲击强化,研究激光冲击强化对小孔结构残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:激光冲击强化后TA15钛合金表面显微硬度最高达402 HV,相对于母材提高了约9%且冲击硬化层深度为0.8 mm;激光冲击强化后在材料表面引入高达-908 MPa的残余压应力,相比于喷丸强化提高了54%;激光冲击强化残余压应力层深度可达1 mm,明显大于喷丸强化残余压应力层深度0.28 mm,较高的残余压应力可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,而较深的残余压应力层有利于降低裂纹扩展速率,延长裂纹扩展寿命。激光冲击强化可有效提高TA15钛合金小孔结构在385 MPa应力水平下的疲劳寿命,相比于未强化试样的疲劳寿命增益在86%~337%,明显优于喷丸强化后疲劳寿命增益。这是由于残余压应力可降低裂纹扩展的门槛值和裂纹尖端的有效应力强度因子,使疲劳裂纹源从孔内壁转移至试样的上/下表面,同时减小疲劳条带间距。

TA15钛合金高温摩擦磨损性能研究

目的 为探究TA15钛合金高温耐磨性能的潜力,研究了TA15钛合金在室温~800℃下的摩擦磨损性能。方法 利用Rtec摩擦磨损试验机(Rtec,San Jose,USA)进行TA15钛合金的摩擦磨损性能测试,通过激光共聚焦显微镜、JSM-7800F扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等手段,分析了TA15钛合金在不同温度下的磨痕形貌、成分变化以及磨损机理。结果 在不同试验温度下,微观组织没有出现明显变化,主要为等轴α相和β相;不同温度下的摩擦因数波动不大,从室温的0.279下降到600℃的0.224,而在800℃时,表面严重氧化导致摩擦因数增大到0.309;在室温~400℃时,试样表面磨痕不断变窄变浅,犁沟和磨屑不断减少,而到400℃以上时磨痕逐渐变宽,比磨损率也大幅增大,且在600℃时的磨损量最大;在600℃时,以氧化磨损为主,并伴随着磨粒磨损和黏着磨损,且表面磨痕形貌和宽度比较均匀;在800℃时磨损表面以黏着磨损和氧化磨损为主,并伴随着高温焊接的发生。结论 TA15合金表面的O元素含量随温度的升高而逐渐升高,并且氧化反应主要发生在β相内。随着试验温度的升高,TA15钛合金磨损表面的氧化磨损现象也更加明显。

电弧增材制造TA15钛合金的组织与性能研究

采用CMT电弧增材制造技术制备TA15钛合金堆积体,并对其显微组织和拉伸性能进行研究。结果表明:CMT电弧增材制造TA15钛合金堆积体成形良好,沿高度方向的宏观组织为外延生长的粗大β柱状晶,显微组织主要由网篮组织、片层组织组成。CMT电弧增材制造TA15钛合金堆积体在水平打印方向与增材高度方向的抗拉强度和屈服强度相差小,但增材高度方向的断后伸长率则优于水平打印方向。

TA15钛合金中板组织与力学性能研究

采用一次换向+四火次轧制、二次换向+四火次轧制和一次换向+三火次大变形轧制3种工艺制备了厚度10.0mm的TA15钛合金中板,研究了轧制工艺对板材显微组织和力学性能的影响。结果表明:3种TA15钛合金中板显微组织均为α+β两相区加工组织,但采用二次换向+四火次轧制的样品B显微组织中初生α相尺寸最为细小、等轴化程度最高;3种TA15钛合金板材室温和高温力学性能均符合GJB 2505A—2008标准要求,但采用一次换向+三火次大变形轧制的样品C室温和500℃高温抗拉强度横纵向差异最小,500℃高温持久性能最佳。

刀具磨损后TA15钛合金加工表面残余应力测量

采用PVD涂层(AlTiN)硬质合金刀具对TA15钛合金(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)进行切削实验,在观测刀具的磨损形貌的同时采用激光小孔残余应力测试仪开展刀具磨损后加工表面残余应力研究。研究结果表明,TA15钛合金切削过程中刀具的主要磨损形式为后刀面磨损;刀具磨损显著影响已加工表面残余应力分布,刀具磨损量VB与加工引入的轴向残余应力最大值和平均值呈正相关;刀具处于稳定磨损阶段时,磨损速率较低,径向残余应力最大值和平均值较小,径向残余应力波动最小。实验现象及结论充实了该领域的切削机理研究。

TA15钛合金局部减重中空双层结构超塑成形/扩散连接工艺

在应变速率为0.001 s^(-1)、0.005 s^(-1)、0.01 s^(-1),温度为880℃、900℃、920℃、940℃的条件下对TA15钛合金进行了高温拉伸试验,材料在920℃以上、0.005 s^(-1)以下的延伸率可超过500%,具有优异的超塑性能。计算了TA15钛合金的本构方程及在应变速率为0.005 s^(-1)时,不同温度下的应变敏感性指数m值和材料常数K值。通过超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺,采用有限元模拟对双层结构件的壁厚分布进行分析,并获得了气压加载压力–时间曲线。在温度为920℃时,采用预镂空面板制得了局部减重的中空双层结构件,最小壁厚为0.31 mm,采用超声波C扫描对零件的扩散面积进行分析,结果表明,焊合率高于95%。

表面处理工艺对TA15钛合金板材弯曲性能的影响

采用研磨抛光、酸洗减薄以及研磨抛光+酸洗减薄3种工艺对退火态TA15钛合金板材进行表面处理,研究了不同表面处理工艺对板材弯曲性能的影响,并分析了板材弯曲开裂机理。结果表明:经研磨抛光+酸洗减薄的联合工艺处理后板材的弯曲角度最大,酸洗减薄工艺次之,研磨抛光工艺最小。经研磨抛光后,试样表面形貌呈现出锯齿状纹理,而研磨抛光+酸洗减薄工艺可以钝化研磨抛光形成的锯齿状磨削纹理,降低表面粗糙度,获得更加平整的表面。经分析,认为弯曲试样的开裂机理是试样弯曲过程中,锯齿状纹理处易产生局部应力集中,形成裂纹源或成为裂纹扩展的通道。研磨抛光试样的弯曲断口分析表明,裂纹起源于试样表面,韧窝形态呈现多而深的特征,为典型的韧性撕裂断口。

化学铣切参数对TA15钛合金XRD的影响

为研究化学铣切参数对TA15钛合金组织结构的影响,分别研究了搅拌速度、溶液配比、摆放位置、化铣时间、添加剂含量和化铣温度等对TA15钛合金组织结构的影响,并以XRD来表征。结果表明:增加搅拌速率、溶液配比、化铣时间和化铣温度都会使得化铣之后α相的含量减少,β相的含量增加;摆放位置和添加剂对TA15钛合金表层组织结构的影响较小。

TA15钛合金超薄中空四层结构超塑成形/扩散连接一体化成形及精度控制

本文采用TA15钛合金热轧薄板作为原材料,探究超薄中空四层结构的超塑成形/扩散连接工艺。首先通过高温拉伸试验对TA15钛合金的超塑变形行为进行研究,获得了超塑成形过程的应力–应变曲线。然后通过有限元软件对薄壁横向局部贯通四层纵筋结构的超塑成形过程进行模拟,对成形过程中壁厚减薄、应力分布等行为进行研究,为后续超塑成形/扩散连接试验提供有效指导。最终成功制备了芯板直立筋良好、三角区宽度仅0.9 mm的超薄中空四层结构,其中面板最大减薄率为18.6%,芯板最大减薄率为55.1%,芯板与面板之间扩散连接区域的焊合率为92.1%~98.5%。TA15钛合金板材的原始显微组织晶粒细小破碎且呈等轴状,平均晶粒尺寸小于5μm,经长时间的超塑变形与热暴露后晶粒显著长大。

β相区冷却方式对TA15钛合金组织与冲击性能的影响

将TA15钛合金加热到单相区温度(β相区),随后分别采用水冷、空冷以及炉冷三种方式进行冷却处理,使用光学显微镜、冲击性能测试以及扫描电子显微镜等手段,研究不同冷却方式对TA15钛合金组织与冲击性能的影响,结果表明:合金经三种冷却方式处理后,组织中均出现粗大β晶粒,水冷的组织中析出α′相,而空冷的组织中析出细小针状次生α相,炉冷组织中析出片状α相。三种冷却方式中,合金经炉冷处理后冲击吸收功最大,其次是空冷,水冷最差。三种冷却方式的断裂类型均以脆性断裂为主,断口形貌均是以岩石状形貌为主,并有少量尺寸较小且深度较浅的韧窝分布在表面。