高强TB9钛合金次生α相析出行为及力学性能

研究单/双重时效热处理对TB9合金次生α相形貌及力学性能的影响规律。借助XRD分析合金相组成,采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察显微组织,着重分析微观组织形貌随时效温度变化的演变特征,测试室温拉伸性能和断裂韧度。研究结果表明:单重时效时,晶粒内次生α相呈锯齿状和片层状析出,随着时效温度升高,α相尺寸增大,片层状α相含量增加;430℃时效时,合金强度较低,塑性较好,在470℃时效时合金强度最高;随时效温度的提高,强度先增大后维持在同一强度水平。双重时效时,晶粒内次生α相主要呈锯齿状析出,随时效温度升高,α相尺寸增大,抗拉强度先升高后降低,最高可达1542 MPa,且塑性变化较小。双重时效下合金的抗拉强度较单重时效大幅提高,这主要是由于晶界附近第二相析出强化和晶内锯齿结构α相的共同作用。

固溶和时效处理对TB9钛合金显微组织及力学性能的影响

借助光学显微镜和室温拉伸试验,研究了固溶和时效处理对TB9钛合金棒材显微组织和力学性能的影响。结果表明:固溶温度越高,β晶粒尺寸越大,α相逐渐回熔到基体中,晶界开始消失,抗拉强度由929 MPa逐渐降低至885 MPa,塑性变化不大。随着时效温度的升高,显微组织中逐渐有针状α相析出,且在β相中的分布更趋向于均匀;强度明显降低,当时效温度升高100℃时,抗拉强度下降超过300 MPa,屈服强度下降达270 MPa。

TB9钛合金超声辅助切削试验研究

钛合金作为航空紧固件的主要原材料,其加工性能直接决定了航空紧固件的服役性能,进而影响着航空装备的可靠性,改善钛合金的机械加工性能是提高航空紧固件的有效方法。文章以TB9高强钛合金为研究对象,主要对比传统切削加工和超声切削加工在主切削力、表面加工形貌以及刀具磨损特征等方面的不同,结果表明了与传统切削相比,超声切削有效降低了切削过程中的切削波动,并降低了加工中的切削力;同时超声切削引起的机械划痕深度降低了61.34%,且随着超声振幅的增加,TB9钛合金试样的表面加工质量显著提高、硬质合金刀具的氧化磨损程度降低。

热处理对TB9合金力学性能及显微组织的影响

TB9合金属于亚稳型β钛合金,热处理强化效果明显,抗腐蚀性强。本文研究了固溶处理、固溶+时效处理对TB9合金力学性能和显微组织的影响,结果表明:经过800~900℃固溶处理后,TB9合金强度随固溶温度提高逐渐下降,塑性变化不明显;超过820℃固溶处理时,β晶粒尺寸迅速长大;800~900℃固溶处理后对时效态TB9合金强度影响不明显;塑性随固溶温度上升明显下降,延伸率从15%降低到10%,面缩率从37.5%下降到20%以下;经过820℃/30 min、WQ+520℃/8 h、AC固溶时效处理后α相充分析出,合金性能稳定。

TB9钛合金的热变形行为及加工图

通过在G1eeble-3800模拟机上热压缩试验研究了TB9钛合金在变形温度850~1050℃、应变速率0.01~10s^(-1)、变形程度70%的条件下的热变形行为。基于试验数据及Prasad判据建立了真应力-真应变曲线和加工图,通过其研究了该合金的高温变形行为、变形失稳现象和变形机制。结果表明:TB9钛合金的流变应力与变形速率成正比,与变形温度成反比:在试验条件下合金发生不连续屈服现象;功率耗散率较高的区域发生了不连续动态再结晶;流动失稳区为:850~1050℃和0.5~10s^(-1),850~950℃和0.08~0.5s^(-1),失稳现象表现为不均匀变形;适合加工的区域是1000~1050℃和0.01~0.1 s^(-1)围成的区域。

轧制温度和热处理对TB9钛合金棒材组织和性能的影响

研究了轧制温度和热处理制度对TB9钛合金棒材显微组织及力学性能的影响。结果表明:在800、850、930℃下轧制的TB9钛合金棒材经810℃×30 min/WQ固溶后,显微组织均为等轴β组织,930℃下轧制的棒材组织更加均匀,轧制温度对棒材固溶后的力学性能影响较小。经510℃×12 h/AC时效处理后,棒材的强度和塑性等综合性能随轧制温度的升高变化不大,抗拉强度全部大于1 300 MPa,屈服强度大于1 200 MPa,延伸率大于10%,能够满足某零件对材料的要求。此外,TB9钛合金的强度随时效温度的上升而减小,而塑性逐渐增加。

TB9钛合金热变形本构方程的建立

使用Gleeble-3800热模拟试验机在850~1050℃、应变速率0.01~10 s^(-1)、变形程度为70%的条件下对铸态TB9钛合金进行热变形行为研究。通过Arrhenius双曲正弦方程和Z参数建立了TB9钛合金热变形的本构方程。结果表明:TB9钛合金流变应力随变形温度升高而降低,随应变速率升高而升高;在本试验条件下,TB9钛合金软化机制主要为动态再结晶,随温度降低动态再结晶现象变得明显;所建立的本构方程与试验值吻合较好,为TB9钛合金有限元模拟及制定锻造工艺提供了理论依据。

TB9钛合金车削系统振动特性与表面粗糙度关系的试验研究

目的通过车削加工TB9钛合金试验,定量研究不同位置的振动特性对表面粗糙度的影响规律,并建立基于振动参数的表面粗糙度预测模型。方法选用涂层硬质合金刀具对TB9钛合金线材进行车削加工。通过8704B25和3333A2加速度传感器对试验过程中不同位置的切削振动进行检测。运用Matlab对振动加速度信号进行处理和分析。采用TR_(2)000高精度表面粗糙度仪测量工件表面粗糙度。结果车削系统不同位置的振动特性均与表面粗糙度存在线性关系。车削系统中刀具振动加速度均方根值、主轴振动加速度均方根值以及后导向振动加速度均方根值与表面粗糙度的Pearson相关系数分别为0.37993、0.33190、0.18195。表面粗糙度预测模型的预测平均百分比误差小于3%。结论车削加工时刀具、主轴以及后导向的车削振动均对表面粗糙度有一定影响。车削系统不同位置的振动特性对表面粗糙度的影响次序为刀具>主轴>后导向,可见距离切削位置越近的振动对车削加工表面粗糙度的影响越大。基于振动参数的表面粗糙度预测模型的准确度较高,可作为表面粗糙度的预测模型。

电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定TB9钛合金中微量Si

采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法对TB9钛合金中微量Si的测定进行了研究。总结了基体对较灵敏Si的8条分析线的光谱干扰,发现从Si 185.067nm到Si 288.158nm均有不同基体元素的干扰,对微量Si的测定影响很大。经研究对比,选用背景相对低且信噪比高的Si 288.158nm线,以试剂加定量V为空白来校正基体V的光谱叠加干扰,标准加入法测定。方法检出限0.04μg/mL,标准加入校准曲线的线性相关系数0.999 9。样品加标回收率为100%~105%,相对标准偏差(n=8)小于2.0%。方法简便可靠,可获得满意的分析结果。

固溶时效处理对TB9钛合金棒材组织与性能及其弹簧弹性的影响

TB9钛合金弹簧具有比强度高、耐蚀性优良和抗疲劳性好等优点,已在汽车工业及航空航天领域中得到应用。通过不同的固溶-单级时效处理制度对TB9钛合金进行处理,研究了其对TB9钛合金棒材组织与性能及弹簧弹性的影响。结果表明,经800℃×30 min/AC+510℃×16 h/AC固溶时效处理的TB9钛合金棒材具有良好的综合力学性能。随着时效时间的延长,合金析出相的尺寸和数目有较大的变化,析出相的非均匀性随时效时间的增加而消除,同时晶粒明显细化,平均粒径在20μm左右。固溶时效处理对TB9钛合金弹簧的压缩弹力有较大影响,弹簧经过800℃×30 min/AC+510℃×16 h/AC的固溶时效处理后获得良好的弹性。

锻态TB9钛合金高温压缩行为数值模型研究

在Gleeble 3500热模拟试验机上对锻态TB9钛合金在变形温度1 003~1 103 K、变形速率1~0.001 s-1进行了等温压缩变形处理。基于真应力-应变曲线建立了锻态TB9钛合金高温变形稳态流变方程。结果表明,TB9钛合金的峰值应力随变形温度的提高和应变速率的减小而降低,达到峰值应力后,在加工硬化和流变软化共同作用下进入稳态流变阶段;获得了锻态TB9钛合金高温变形的本构方程。

新型TB9钛合金屈服强度的应变率效应

TB9钛合金具有良好的力学性能,被广泛应用于航空航天领域,其材料强度随服役过程中应力作用的加载速率变化而发生改变。采用三次真空自耗熔炼工艺制备TB9钛合金材料,并对其开展了室温拉伸和压缩试验,研究了该材料在应变率为0.0005~0.1 s^(-1)范围内的力学性能及其变形行为,讨论了应变率对该材料压缩和拉伸屈服强度的影响。结果表明:应变率由0.0005 s^(-1)升高至0.1 s^(-1)时,TB9钛合金材料的平均压缩屈服强度由955.96 MPa升高至1090.94 MPa,平均拉伸屈服强度由971.01 MPa升高至1096.31 MPa,压缩屈服强度应变率敏感系数为0.02273,拉伸屈服强度应变率敏感系数为0.02110;随着应变率的增大,TB9钛合金拉伸试件断面韧窝尺寸及深度均会变小,这是由于应变率大时,瞬间局部能量增加,裂纹萌生和扩展速度加快所致。此外,采用线性函数拟合了TB9钛合金材料室温下屈服强度增强因子与自然对数应变率之间的关系,可用于预测TB9钛合金在工程应用中的力学行为。

TB9钛合金摩擦修正热变形分析和热加工图的建立

采用TB9钛合金作为研究对象,在Gleeble-1500热模拟设备上对圆柱试样进行高温等温压缩实验,热压缩温度为750~1000℃,应变速率为0.01~10 s^(-1),对获得的实验结果进行摩擦修正,并根据摩擦修正后的应力-应变曲线绘制热加工图。结果表明:摩擦修正后的应力-应变曲线明显低于修正前的曲线,且随着应变的增加,摩擦修正前后的应力差值逐渐增加;计算获得了经过摩擦修正的真应力-应变曲线σ=arcsinh[εexp(Q/RI)]^(1/n)/α,可用该式预测TB9钛合金在750~1000℃,不同应变速率条件下的应力。失稳变形会导致TB9钛合金产生与压缩方向呈约45°的流变局域化区域变形带,合金的组织均匀性较差;在适宜的工艺窗口内热加工,合金主要发生动态再结晶和动态回复,可以改善显微组织,提高合金的性能。根据建立的热加工图,得出了TB9钛合金的适宜热变形工艺参数为:变形温度850~1000℃,应变速率0.01~1 s^(-1)。

时效处理对固溶冷拉态TB9钛合金组织与性能的影响

研究了不同时效处理(450~600℃×8 h)对固溶冷拉态TB9钛合金组织和力学性能的影响。结果表明:随着时效温度的升高,TB9钛合金的组织结构发生显著变化。在450~500℃时效温度下,α相细小且均匀分布,显著提高了合金的硬度和强度,但塑性较差;在550~600℃时效温度下,α相尺寸和体积分数增加,晶粒组织趋于均匀。时效温度对强度和塑性有重要影响,450℃时效时,合金强度达到峰值,约1700 MPa,而伸长率几乎为零;随着时效温度的升高,合金强度逐渐降低,伸长率逐渐增加,550℃时效时,抗拉强度约1400 MPa,伸长率约14%;600℃时效时,抗拉强度约1200 MPa,伸长率约22%。较低温度(500℃)时效时,合金断口为脆断特征,较高温度(600℃)时效时,合金断口为韧性特征。因此,为保证TB9钛合金获得较优的强塑性匹配,最佳时效温度为550~600℃。

基于数值模拟的TB9钛合金VAR熔炼工艺优化

采用真空自耗电弧熔炼(VAR)法熔炼TB9钛合金会产生偏析和夹杂等冶金缺陷。采用MeltFlow-VAR仿真软件对某厂TB9钛合金VAR一次熔炼过程进行模拟,考察熔炼电流大小、稳弧类型对熔炼过程的影响,通过分析不同工艺条件下铸锭的元素分布、熔池深度、抛杂路径等,获得了最佳一次熔炼工艺,分别采用该厂原工艺和优化后的工艺参数,对TB9钛合金三次VAR熔炼过程进行全流程模拟,获得了三次锭的元素分布情况。结果表明,宏观偏析在多次熔炼过程中存在“遗传”现象,对该厂一次熔炼原工艺进行优化后,可以显著提高三次成品锭的成分均匀性。

TB9钛合金棒线材制备过程中微观组织和力学性能演变

通过光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射技术等系统研究了TB9钛合金棒线材在制备过程中的微观组织及力学性能的演变过程。结果表明:通过真空自耗电弧熔炼、锻造、轧制及拉拔等工艺能够制备出表面质量良好、横截面组织性能一致的不同规格TB9钛合金棒线材产品。其中,开坯锻态组织由随机取向的粗大β相及极少量动态再结晶(DRX)晶粒构成,平均晶粒尺寸在1000μm以上。径锻态组织主要由约400μm的β晶粒构成,累计应变的增加使得DRX晶粒百分数增加。多道次热变形获得的?10 mm棒材盘圆组织由尺寸为15μm的细小晶粒组成,具有显著的热加工变形特征,固溶水冷处理能使组织均匀并获得无畸变β晶粒。热拉拔变形能够进一步细化晶粒,并提高TB9钛合金强度,强度最高可达1100 MPa以上,但塑性有所下降。

TB9钛合金芯杆冷镦成形模拟及实验研究

针对TB9钛合金芯杆冷镦成形存在的问题,利用DEFORM有限元软件模拟分析了TB9钛合金芯杆的镦制成形工艺,讨论了多工位冷镦成形中变形量、摩擦因数对芯杆镦头质量的影响。进而通过实验分析了芯杆镦头剪切带的组织和力学性能。结果表明:芯杆三工位镦制成形中,采用不同镦制变形量获得了芯杆镦头的应变分布,有效控制了因镦头中心部位变形程度高而造成的镦制缺陷。摩擦因数的减小会降低镦头的应变,当变形量为50%时,三工位镦制成形的摩擦因数为0.35的镦头中心部位的等效应变为1.18874,摩擦因数为0.25的镦头中心部位的等效应变为1.12713,摩擦因数为0.15的镦头中心部位的等效应变为1.07401,提高了镦头的均匀变形程度。通过测试分析芯杆镦头样件可知,镦头内部无微孔洞、微裂纹等缺陷产生,镦头内部形成的剪切带区域的微观组织最密且呈纤维状,剪切带区域的平均硬度为354.8 HV,为芯杆镦头硬度最大之处。

TB9钛合金棒材组织遗传效应与性能

以TB9钛合金为研究对象,对比分析了TB9铸锭不同部位在热加工过程中的组织差异,揭示了TB9钛合金棒材的组织遗传效应及其对性能的影响。结果表明,TB9钛合金铸锭可以分为底部沿轴向的柱状晶区,芯部的等轴晶区,边部与轴向呈45°的柱状晶区。其中铸锭底部的柱状晶具有较强的<100>织构,在随后的锻造和热轧过程中,<100>织构的柱状晶难以破碎,具有很强的遗传性,致使最终棒材尾部残留粗大的柱状晶结构,时效后抗拉强度仅为987 MPa。铸锭芯部等轴晶区没有明显的择优取向,最终制备的棒材晶粒细小,组织均匀,棒材的性能优良,抗拉强度可达1290 MPa。

分级时效对TB9钛合金芯杆力学性能及组织的影响

依托某型号航天用TB9钛合金芯杆,研究了分级时效下TB9合金力学性能及微观组织的变化特点。结果表明,经过480~530℃×6~10 h单级时效处理后,TB9合金抗拉强度、硬度随着时效温度的升高而下降,超过530℃时晶粒有长大趋势。随着保温时间的延长,抗拉强度在480℃时出现增长趋势,最大值达到1698 MPa,530℃时强度呈明显下降趋势,下降近200 MPa。而双级时效处理可以有效消除或抑制合金中ω脆性相生成、均匀组织,同时提高TB9钛合金芯杆拉伸力值和断裂韧性,其综合性能更能满足高性能β合金紧固件的使用要求。

冷旋锻变形对TB9钛合金显微组织和拉伸性能的影响

采用冷旋锻对TB9钛合金棒材进行多道次冷变形,利用OM、EBSD、XRD、TEM以及拉伸等实验研究了不同冷变形量TB9钛合金棒材的显微组织、织构和拉伸性能及其规律。结果表明,TB9钛合金棒材的晶粒尺寸随冷旋锻变形量的增大而减小,部分晶粒尺寸达到纳米级。同时,晶粒随变形量的增加沿旋锻轴向转动,形成择优取向,由初始{001}<110>和{001}<100>织构转变为<110>取向的α-fiber和γ-fiber{001}<110>、{112}<110>和{111}<110>织构。在亚结构、小尺寸晶粒以及织构的共同作用下,TB9钛合金的强度随变形量的增大而增加,延伸率和面缩率在70%冷变形后仍保持在一个较高的水平,具有优异的冷变形能力。