热等静压制备TC4合金内筋圆筒件的组织与力学性能

采用有限元模拟技术研究TC4合金内筋筒形件在热等静压(HIP)过程中的致密化行为,通过响应面技术获得优化的HIP工艺参数,并开展优化工艺条件下的HIP实验;分别对HIP制备TC4合金内筋筒形件的不同部位开展致密度、力学性能测试以及微观组织和断口形貌表征。结果表明:TC4合金内筋筒形件的外表面优先致密,筒壁和筒底芯部的致密度最高,HIP压力对致密化的影响高于保温保压时间对致密化的影响;HIP制件筒壁和筒底的组织致密均匀、室温拉伸性能接近,筒壁室温拉伸性能均略优。350℃时,筒壁和筒底的拉伸性能差值进一步缩小,抗拉强度保持率达到近70%。室温和350℃拉伸变形试样均以韧性断裂为主的断裂特征。

TC4合金表面Zr-Y改性渗硅涂层的组织结构及高温摩擦磨损性能

采用固体粉末扩散渗方法在TC4合金表面制备了Zr-Y改性的渗硅涂层,研究了渗层的组织结构、高温摩擦磨损性能及磨损机制。结果表明:Zr-Y改性渗硅涂层具有多层梯度结构,外层由TiSi_(2)和少量ZrSi_(2)组成,较薄的中间层为TiSi相,内层为Ti_(5)Si_(4)和Ti_(5)Si_(3)的混合物。涂层的显微硬度明显高于TC4合金基体,且由表及内呈梯度降低趋势。高温摩擦磨损实验(600℃)结果表明,Zr-Y改性渗硅涂层具有优良的摩擦磨损防护性能。与GCr15对磨时的磨损率约为3.59×10^(-5)mm^(3)/(N·m),是相同条件下TC4合金磨损率的36.6%,磨损机制主要为GCr15在涂层表面的擦涂和氧化磨损。与Al2O3球对磨时的磨损率为9.75×10^(-5)mm^(3)/(N·m),是相同条件下TC4合金磨损率的18.9%,磨损机制为疲劳磨损、氧化磨损和黏着磨损。

TC4合金斜Ⅰ型截面环件轧制工艺研究

目的提升钛合金异型环轧制时的填充效果,提高成形精度,确定轧制型腔对环件成形质量的影响。方法以TC4合金斜I型截面环件为研究对象,设计了开式与闭式2种轧制型腔,对该环件的轧制过程进行了研究。建立了斜I型截面环件的有限元模型,基于有限元模拟结果全面分析了不同轧制型腔对环件等效应变、温度分布以及型腔填充效果的影响规律。结果与开式型腔相比,闭式型腔轧制的环件具有更优的等效应变和温度分布,型腔填充情况也明显更优,填充率在96%以上,进而确定了闭式型腔的轧制方式。采用设计的闭式型腔进行了环件轧制试验,试验环件尺寸与模拟结果吻合良好,误差在0.3%以内,同时组织性能均能够满足生产要求。结论选择闭式型腔轧制可以有效提升钛合金异型环轧制时的填充效果,提高成形精度,提升环件成形质量。

激光选区熔化TC4合金的高周疲劳行为

开展激光选区熔化(selective laser melting,SLM)TC4合金高周疲劳行为实验研究,对比分析两种取样方向(水平、垂直)、两种温度(室温、400℃)条件下合金的疲劳性能差异,探索了通过热等静压(hot isostatic pressing,HIP)方式提升合金疲劳性能的可行性。结果表明:退火热处理后,合金疲劳性能存在显著的各向异性,垂直方向试样疲劳性能高于水平试样;相较于室温,400℃条件下合金的疲劳寿命降低,但仍存在各向异性;热等静压后,合金的疲劳寿命呈现出一定程度的提升,疲劳性能各向异性趋势减弱。断口分析显示,SLM TC4合金裂纹主要起源于表面与亚表面缺陷处,以气孔为主,统计分析表明,垂直试样的源区缺陷尺寸要低于水平试样,这是导致合金水平试样疲劳性能降低的主要原因;热等静压后,合金水平和垂直试样裂纹均萌生于表面滑移处,此时合金的孔隙率显著降低,已无明显缺陷,而缺陷数量的减少是合金疲劳性能提升的主要原因。

模拟体液环境下增材制造各向异性对TC4合金腐蚀磨损性能的影响

为揭示在体液环境中选择性激光熔化技术(SLM)制备的不同取向的TC4合金耐腐蚀磨损性能差异,采用摩擦与电化学联用的腐蚀磨损测试方法,在0.3~1.0 N载荷下,在PBS磷酸盐缓冲液中研究不同取向(0°、45°、90°)的TC4合金试样以及传统锻造态TC4合金试样的腐蚀磨损性能。研究结果表明:SLM增材制造TC4合金试样在不同取向上均以细针状α′相(hcp)为主以及少量β相(bcc),导致SLM试样的平均显微硬度明显高于锻造态TC4合金;不同取向试样的α′相和β相含量有细微的差异,其中0°取向的试样因其最多的α′相而表现出最高平均显微硬度;TC4合金在较低载荷时主要磨损机制为磨粒磨损,在较高载荷时转变为以腐蚀磨损为主,而0°取向的SLM试样因其大量且均匀细小的高强度细针状α′相而表现出最高的耐蚀性和抗腐蚀磨损性能;载荷为0.5 N时,研究的4种试样表现出最大的磨损率差异,其中0°取向试样的磨损率相比45°、90°取向试样和锻造态TC4合金试样分别降低了41.6%、54.7%、75.7%。研究表明,由增材制造逐层堆积方式引起的TC4合金的各向异性会对腐蚀磨损性能造成显著影响,这在医用植入物中为提升具体摩擦面的腐蚀磨损性能而优化增材制造的结构设计具有一定的借鉴意义。

TiN涂层对TC4合金高温抗氧化性能的影响

利用真空离子镀技术在TC4钛合金表面制备了TiN涂层,研究其高温抗氧化性能。实验结果表明:随着氧化温度升高和时间延长,TC4基材和涂层试样氧化程度均增加,在700℃保温130 h以内TiN涂层表现出优异的高温抗氧化能力。对于TC4基材,在700℃保温10 h已出现明显氧化色。TC4基材及涂层试样在700℃×200 h氧化层主要由TiO_(2)相和Al_(2)O_(3)相组成。TiN涂层在700℃保温130 h以内对钛合金具有较好的高温防护作用。

超声辅助磁力研磨对选区激光熔化TC4合金表面质量的影响

为了改善选区激光熔化TC4合金的表面质量,采用超声辅助磁力研磨技术进行光整加工。模拟了不同磁极尺寸和研磨区域下磁通密度的大小和分布情况。对空化泡在复合场下受力进行分析,研究磁场对空化效应的影响机理。分析了施加超声振动前后试样表面形貌的变化规律,研究了振幅、研磨转速和研磨时间对表面粗糙度的影响规律。结果表明,随着磁极直径和高度的增加,磁感应强度增加,磁通密度的分布逐渐由不均匀向均匀变化。在80 mm的固定位置研磨效果较好,平均磁场力为17.12 mN,表面粗糙度为0.673μm。施加超声振动后,原始表面凸起和缺陷被完全去除,表面有细长的划痕,表面粗糙度降至0.243μm。与磁力研磨工艺相比,表面粗糙度降低了60%。磁场对空化效应的抑制作用降低了空化泡溃灭时释放的能量,从而减小了空化效应对表面造成的损伤。

CeO_(2)添加量对激光选区熔化TC4合金摩擦磨损性能的影响

钛合金具有广阔的应用前景,为提高钛合金的成形质量和耐磨性能,采用激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制备TC4合金,通过添加不同含量(0、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%)的CeO_(2)对TC4合金进行改性。使用XRD、SEM、电子万能试验机、摩擦磨损试验机和三维光学轮廓仪探究了CeO_(2)含量对TC4合金的显微组织、相组成、力学性能及摩擦磨损性能的影响。结果表明:采用激光选区熔化技术制备添加适量CeO_(2)的TC4合金,相比TC4合金原样,其组织得到细化,力学性能提升,摩擦系数和磨损量明显下降,黏着磨损和磨粒磨损的作用效果减弱。当CeO_(2)的含量为0.15%时,试样的硬度达到356.8 HV,屈服强度和抗拉强度分别达到1027 MPa和1293 MPa,远超锻件水平,平均摩擦系数和磨损量达到最低值,分别为0.412和3.729×10^(-2)mm^(3),其磨损机制为轻微的黏着磨损和磨粒磨损。

去应力退火对LPBF TC4合金在1%NaCl溶液中的腐蚀行为影响

本文利用电化学阻抗谱和动电位极化曲线研究了去应力退火对激光粉末床熔融(LPBF)技术制备的TC4钛合金在1%NaCl溶液中的电化学行为,并采用Mott-Schottky测试、X射线光电子能谱仪对其表面钝化膜进行了分析。结果表明:LPBF TC4合金由针状α'/α马氏体组成,而800℃去应力退火后的组织为α+β双相结构;去应力退火导致LPBF TC4钛合金的耐蚀性降低,极化电阻降低,腐蚀电流密度和钝化电流密度增加。退火处理前后LPBF TC4钛合金的钝化膜均为n-型半导体,但去应力退火后合金的载流子密度增加,且钝化膜中TiO2的含量降低,导致合金的耐腐蚀性能降低。

热处理对激光成形TC4合金组织及性能的影响

通过对TC4钛合金激光快速成形件沉积态、去应力退火和固溶时效3种状态下的组织进行对比研究,探索改善TC4钛合金激光快速成形组织,提高材料综合力学性能的途径。结果表明,成形件的组织由贯穿多个熔覆层呈外延生长的粗大柱状晶组成,柱状晶主轴垂直于激光束扫描方向或略向光束扫描方向倾斜。原始的柱状β-Ti晶粒的微观组织是由极少量针状α,大量的魏氏α板条和一定体积分数的板条间β相组成。沉积态试样经退火处理后α板条有粗化趋势,性能改善不明显,塑性有所提高;经固溶时效热处理后可得到等轴α,网篮α和转变β相的三重混合组织,晶界α相被不同程度地破碎,甚至消失,塑性有明显提高,且强度降低不大,具有良好的综合力学性能。

TC4合金微弧氧化层的耐磨性和耐蚀性

目的对比不同电解液体系中制备的陶瓷膜层的耐磨损和耐腐蚀性能,判断实验条件下陶瓷膜性能最优的电解液体系。方法在相同的电参数工艺下,分别在Na Al O2,(Na PO3)6和Na2Si O3电解液体系中对TC4合金进行微弧氧化处理,处理时间为15 min。分析陶瓷层的表面形貌、成分和相结构。进行干摩擦条件下的摩擦磨损实验,对比TC4合金及三种陶瓷膜的耐磨性。通过测试极化曲线,对比TC4合金及三种陶瓷膜的耐蚀性。结果在Na Al O2,(Na PO3)6,Na2Si O3电解液体系中获得的陶瓷层表面呈现出多孔和局部凸起的相似表面特征,但相组成存在差异,主要相分别为Al2Ti O5,Al PO4和Ti O2。摩擦磨损实验表明,在10 N载荷下,以Si3N4陶瓷球作为摩擦配副,陶瓷层的磨损失重相对基材均显著减小,其中(Na PO3)6-陶瓷层失重约为基材的1/22。极化曲线分析表明,在模拟油田采出液作为腐蚀液的条件下,与TC4合金相比,陶瓷层的Ecorr显著正移,Jcorr明显减小,其中(Na PO3)6-陶瓷层的Ecorr从-0.311 V正移至0.777 V,Jcorr从9.634×10-7A/cm2减小到2.595×10-8A/cm2。结论微弧氧化处理能够显著改善TC4合金的耐磨性和耐蚀性,其中(Na PO3)6-陶瓷层的综合性能较好,有望满足TC4合金服役于油田环境时的要求。

Ti-Zr-Cu-Ni-Co系新钎料的成分设计及TC4合金钎焊接头的力学性能

新设计了Ti-Zr-Cu-N i-Co系钛基钎料,相对于BПP16钎料,其Zr含量有所提高,而Cu,N i,Co三种合金元素的总含量低于BПP16钎料中Cu,N i的总量。在960℃/10m in的真空加热条件下,进行了两种钎料对TC4合金的熔化实验和连接实验。通过SEM和XEDS分析了接头组织和微区成分。钎焊接头力学性能试验结果表明,使用新钎料对应接头冲击韧性值为31.55 J/cm3,比BПP16钎料提高了56%,同时接头的剪切强度提高约20%。

TC4合金激光焊接工艺参数与接头组织性能研究

用OM、SEM等手段分析了不同激光焊接工艺参数下焊缝成形和其微观组织特征,并测试了焊缝的力学性能。结果表明:0.8mm厚钛合金板激光穿透焊离焦量范围约在-2mm～+2mm之间,最佳离焦量为-0.5mm。随焊接线能量的增大,焊缝熔宽和背面宽度都呈增大趋势,且背面宽度的增加更为显著。TC4合金焊缝为针状马氏体α′组成的网篮组织。随着焊接热输入量的增加,马氏体的形态由平行的单相针转变为多相针,分布更加密集和散乱。不同焊接工艺参数下接头的强度均高于母材,塑性低于母材。

温度、应力及晶粒度对TC4合金应力松弛性能的影响

研究了温度、应力、晶粒度对TC4合金应力松弛的影响。结果表明,TC4合金应力松弛行为对材料的组织形态和外界试验条件极为敏感。温度升高时,松弛速率大大加快,应力松弛极限降低;不同初应力作用下,应力松弛极限相同,符合应力松弛第一定律;600℃时小晶粒材料应力松弛速率高于大晶粒材料。

TC4合金干滑动磨损性能的研究

在MG-2000销盘式磨损试验机上考察了TC4/GCr15摩擦体系中,TC4合金的磨损行为.利用SEM、XRD对合金磨面、剖面形貌及结构进行观察与分析,利用HVS-1000显微硬度计测试磨面至心部的硬度,利用激光共聚焦显微镜测试和观察磨面的粗糙度及三维形貌.结果表明:TC4合金的磨面形成了摩擦层,其分为有氧化物摩擦层和无氧化物摩擦层,无氧化物摩擦层对磨面无保护作用,合金磨损率较高;有氧化物摩擦层对磨面具有保护作用.在600°C,摩擦层中含有大量摩擦氧化物,对磨面具有最佳的保护作用,合金磨损率最低,TC4合金具有优异的高温磨损性能.磨面粗糙度和摩擦层中的氧化物数量密切相关,在600°C,磨面被大量光滑氧化物所覆盖,磨面粗糙度最低,略高于磨损前的表面粗糙度.

EIGA法制备激光3D打印用TC4合金粉末

采用电极感应熔炼气雾化法(EIGA)制备激光3D打印用TC4合金粉末,研究了雾化气压对粉末收得率、粒径、粉末形貌、松装密度、流动性及空心球率等特征的影响.结果表明:随着雾化气压的增加,粉末收得率、球形度增加,而粉末平均粒径减小.雾化气压为6.0MPa时,粉末收得率超过50%,平均粒径小于100μm,松装密度为2.950 g/cm^3,流动性为2.242 g/s,空心球率低于3%.雾化气压为7.0 MPa时,非球形缺陷粉末和空心球率增加.对比雾化气压为6.0 MPa制备的不同粒径粉末,以及激光3D打印后的拉伸曲线与断口形貌,发现50~100μm粉末打印TC4合金的抗拉强度达907.7 MPa,延伸率最大达15.3%,具有良好的强韧性.

TC4合金表面全方位离子注入Ag的耐摩擦磨损和抗腐蚀性能

为改善TC4合金表面的耐磨性能和抗腐蚀性能,用等离子体浸没离子注入(PIII)技术在合金表面注入不同剂量的金属银。采用XRD、XPS、AES等方法分析改性层的元素浓度分布和化学组成,研究Ag离子注入后试样表面的耐摩擦磨损性能、抗腐蚀性能、纳米硬度和弹性模量。结果表明,表面改性层中主要存在Ag相,同时含有少量的TiAg;处理后注入剂量为1×1017ions/cm2试样的纳米硬度和弹性模量分别提高62.5%和54.5%;磨损面积减小57.6%;摩擦系数由基体合金的0.78下降到0.2。在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电位升高,腐蚀电流密度明显减小,耐蚀性得到了显著改善。

TC4合金应力松弛行为及微观组织观察

The behavior in TC4 alloy was studied and the test were fitted by twice delay function well. At the same time, microstructures observation during stress relaxation were performed by TEM. Results showed that plastic strain rate vs stress dual logarithmic curve was composed of two straight lines in stress relaxation deformation and a critical stress was found. Plastic strain rate stress exponent and microstructure observation showed that stress relaxaton deforming mechnisam is dislocation creep with planar dislocation gliding character at 400 ℃, while recovery creep under the effect of dislocation gliding and climb atom diffusion at 600 ℃.

扫描策略及束流参数对TC4合金电子束快速成形过程的影响

在电子束快速成形TC4合金零件的过程中,由于加工方式的特殊性,易发生零件变形、熔融金属液球化以及"吹粉"现象。加工过程中主要通过工艺调整的方式避免以上问题,具体分为扫描策略调整以及电子束流参数调节。采用等间距顺序扫描策略可有效降低加工过程中的温度梯度,减少零件变形。调节束流功率与扫描速度,以及通过合理的参数组合可避免加工过程中的球化和吹粉现象。

TC4合金的新型本构关系

通过热态模拟试验 ,系统地研究了主要锻造热力参数 (变形速度、变形温度、变形程度 )与 TC4合金流动应力、微观组织之间的数值关系 ,采用数理统计原理 ,科学地分析并回归出了能综合反映锻造热力参数和微观组织演化过程对材料成形性能影响的本构方程 ,定性地探讨了各热力参数对 TC4合金组织和性能的影响规律 ,为TC4合金锻造过程的数值模拟和锻造热力参数的合理制订与控制提供了基础。