TiAl合金粉末射频等离子体球化过程数值模拟

采用数值模拟的方法对TiAl合金粉末的射频(radio frequency)等离子体球化过程进行研究,分析速度场和温度场对不同粒径TiAl合金粉末的运动轨迹及质量变化的影响。结果表明:粉体颗粒在等离子体的高温作用下温度急剧升高,表面蒸发导致粒径降低,太小的颗粒很快蒸发消失掉;在冷却塔下端,不同粒径颗粒的运动轨迹存在较大差异,小颗粒倾向于随气流进入气流出口,大颗粒落到冷却塔底部被收集;增大气流量会提高球化系统中的气流速度,导致在气流出口能被气流带走的颗粒粒径变大,收粉率降低;模拟得到TiAl合金粉末球化后的粉末粒径分布、平均粒径及收粉率等参数与实验结果比较接近,模型能够较好地符合实际球化过程。

TC4预合金粉末模壳热等静压成型技术

对TC4预合金粉末进行模壳热等静压成型,并对成型构件的尺寸收缩、合金的微观组织、室温拉伸性能,以及合金/模壳界面微观结构进行了分析。结果表明:采用TC4预合金粉末模壳热等静压技术实现了构件的完整成形,合金致密度达到98%,粉末在致密化过程中,沿构件的长度及宽度方向收缩较少,沿厚度方向收缩较大,中心部位收缩率达到30%;成型得到的合金为细小均匀的网篮组织,片层周围分布少量等轴α相;合金塑性为铸造TC4合金的1.5倍以上,拉伸性能完全达到甚至超过锻件水平;粉末模壳热等静压工艺中,TC4合金与模壳之间无明显的界面反应,在构件表面存在10μm左右的疏松层。

微观组织对Ti-6Al-4V-4Zr-1.5Mo钛合金静态力学性能的影响

对锻造态Ti-6Al-4V-4Zr-1.5Mo合金采用不同热处理工艺得到等轴、双态和网篮三种组织。分别对具有三种不同微观组织的试样进行静态拉伸和压缩试验,结合金相观察及断口分析,研究了不同微观组织与力学性能之间的关系。结果表明:微观组织对合金静态力学性能影响显著,等轴组织塑性最好,但强度最低;网篮组织强度最高,但塑性最差;双态组织表现出了较好的强度和塑性。

热等静压及退火对铸造TG6钛合金组织和拉伸性能的影响

对熔模精密铸造的近α型TG6钛合金依次进行了热等静压和不同温度退火处理,研究了不同状态合金的显微组织和拉伸性能。结果表明:铸态合金的显微组织主要为魏氏组织,组织中存在缩松缺陷;其室温抗拉强度和伸长率分别为871.3 MPa,0.8%,缩松处为断裂源。900℃热等静压处理消除了缩松缺陷,合金的室温伸长率提高至3.7%,拉伸断口呈准解理断裂特征。经700~800℃退火处理后,合金组织中的β板条部分溶解并析出条状及颗粒状硅化物,在α板条中弥散分布着α2相析出物;其室温伸长率提高到11%以上,室温及550℃拉伸断口为韧性断裂和解理断裂共存的混合型断口,而650℃和700℃拉伸断口呈腐蚀开裂特征。

长时间热暴露对Ti-24Al-15Nb-1Mo合金组织和性能的影响

采用熔模精密铸造及热等静压技术制备Ti-24Al-15Nb-1Mo合金模拟件,然后在600、650、700℃大气氛围下,经过100、300、500 h热暴露,取样研究其微观组织和室温拉伸性能的变化。结果表明,在热暴露过程中,Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的非平衡组织逐渐向平衡态转变,导致自身组织分解、析出、粗化等一系列的转变,从而对合金的力学性能产生较大影响。经热暴露后,其抗拉强度从863 MPa下降到最低742.7 MPa,塑性也有所下降,延伸率相对热等静压态的最大下降量为56%。

Ti-22Al-15Nb合金的力学性能及破坏机理研究

研究了名义成分为Ti-22Al-15Nb的Ti-Al系合金的微观组织和力学性能,以及在准静态和动态加载条件下的变形行为,并对其破坏机理进行了分析。微观组织研究表明,Ti-22Al-15Nb合金铸态组织为等轴晶,晶内主要由α2-Ti3Al相和B2-Ti2AlNb相组成,具有随机取向的片状α2相均匀分布在B2基相上。力学性能研究表明,合金在动态加载条件下表现出较优异的性能,其屈服强度为1 100 MPa,抗压强度为1 750 MPa,且在动态加载下具有更好的塑性。破坏机理分析表明,在准静态加载条件下,合金试样发生剪切破坏,微裂纹首先在α2相及α2相与B2相的相界处萌生,在最大剪应力方向上扩展形成主裂纹,最终导致合金试样破坏;在动态加载条件下,合金的破坏方式为绝热剪切破坏,即在与加载轴呈45°角的方向上形成绝热剪切带,随着应变的增大,裂纹在剪切带中萌生并扩展,最终破坏合金试样。

钛合金药型罩对纯铜及45钢靶的破甲特性

为了研究射流与靶板间的反应对其破甲性能的影响,选用钛合金药型罩分别对纯铜及45钢两种材质的靶板进行静破甲试验。研究结果表明:与钛合金反应不剧烈的纯铜靶板,静破甲试验后的破孔孔径较大,穿深较高;而与钛合金反应较为剧烈的45钢靶板,静破甲试验后的破孔孔径较小,穿深较低。对静破甲试验后纯铜靶板及45钢靶板进行了微观组织分析,研究了钛合金药型罩分别对纯铜靶板及45钢靶板的破甲特性及破甲机理,并探讨了射流与靶板间的反应对其破甲性能的影响。

铸造、锻造和粉末冶金TC4钛合金损伤容限行为对比研究

目的研究影响铸造、锻造和粉末冶金TC4钛合金的损伤容限行为差异的主要因素。方法分别从裂纹尖端塑性变形行为、二次裂纹及断口表面粗糙度3个方面对比,分析造成3种成形方法制备的TC4钛合金的断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率差异的原因。结果铸造TC4钛合金断裂韧性优于锻造和粉末冶金TC4钛合金,主要是因为新产生的裂纹面积大,消耗更多断裂能量。铸造TC4钛合金疲劳裂纹扩展速率低于锻造、粉末冶金TC4钛合金,其主要原因为曲折的裂纹路径和断面粗糙度诱发裂纹闭合效应以及长而深的二次裂纹。结论 3种成形方法制备TC4钛合金损伤容限行为差异的主要原因是断裂形成了不同裂纹路径形貌。

Ti_3Al合金中α_2相的比例及分布特征对其力学性能的影响

目的优化Ti3Al合金的塑性,促进此类合金的应用。方法采用扫描电镜及分离式霍普金森压杆系统对Ti3Al合金中α_2相的比例、形状及尺寸等微观组织进行观察及动态力学性能的测试,并分析了组织变化对其动态力学性能的影响及影响机理。结果经固溶热处理后,Ti-24Al-14Nb合金中初生α_2相的相比例从47.5%增加到56.8%,α_2相板条逐渐长大、变宽;固溶+时效热处理后,合金中鱼鳞状的初生α_2相向板条集束状的α_2相转变,粗大的初生α_2相板条间析出大量细小的针叶状次生α_2相。B2相中Al元素含量的下降,Al元素与B2相的固溶强化作用减弱,导致B2相的强度下降,塑性提高。同时微观组织细化,会增加合金中α_2相和B2相在压缩变形过程的变形协调性,使得合金塑性明显提高。结论固溶时效可以改善和提升Ti3Al合金的塑性。

凝固模式对定向凝固TiAl-Nb合金组织和力学性能影响

目的研究凝固模式对Ti Al-Nb合金定向凝固组织和力学性能的影响。方法利用Bridgman定向凝固方法制备了单一β、亚包晶、过包晶以及单一α相4种凝固模式的Ti Al-Nb合金,对显微组织进行观察,并进行室、高温拉伸性能测试及断口形貌分析。结果单一β凝固模式柱状晶明显倾斜,其他凝固模式合金的柱状晶挺直且宽度较均匀,除单一α凝固合金中片层方向近似与定向凝固方向平行外,其他模式凝固合金中大部分片层方向与定向凝固方向呈近45°夹角;拉伸性能结果显示,亚包晶合金室温和高温抗拉强度最高,分别为429和483 MPa,单一α相合金室温和高温抗拉强度最小,分别为281和204 MPa。结论亚包晶合金其室温和高温拉伸性能均高于其他凝固模式的合金性能,但定向凝固试样制备过程中产生Y_2O_3颗粒夹杂,导致拉伸试验过程容易形成应力集中,致使定向凝固Ti Al-Nb合金较早发生断裂。

基于ProCAST模拟的钛合金环形铸件缩孔预测

使用ProCAST软件对钛合金环形铸件铸造过程中的流场、温度场及缩孔分布进行了数值模拟。为验证模拟结果,根据模拟模型设计并开展了浇注试验。模拟结果显示,金属液流动过程平稳,铸件成形完整,缩孔呈条形分布在铸件中部的厚大环形热节区域。模拟和试验的缩孔结果吻合很好,说明数值模拟能准确预测钛合金铸件的缩孔分布,从而为工艺设计提供指导。

钛铝低压涡轮叶片熔模铸造精确成形及冶金缺陷分析

目的研究不同浇冒口设置对Ti Al低压涡轮叶片的成形的影响及叶片冶金缺陷形成的原因。方法采用熔模精铸方法,通过设计顶注式重力铸造浇注系统,采用冷坩埚感应熔炼炉进行Ti Al叶片浇注实验,采用目视和X射线检验方法分析叶片铸件表面及内部缺陷,并结合金属凝固理论分析缺陷形成原因。结果合理的浇口和排气孔设置有效避免了因熔体流动性差造成的叶片充型不完整,以及凝固收缩导致的应力开裂等问题,浇注出成形完整的铸造叶片;叶冠与叶身端部转角部位充型凝固过程中形成热节,容易出现贯穿性疏松缺陷;树脂基熔模焙烧后残留的碳黑在熔体充型凝固过程中,与面层中的Zr O2反应生产CO,导致叶身出现聚集性皮下气孔;由于凝固收缩引起叶身与铸型分离,降低横向散热能力,导致叶盆部位出现表面疏松。结论通过浇注合理的浇注系统设置可实现Ti Al叶片完整充型,疏松缺陷控制为进一步提高叶片质量的关键。

金属/陶瓷粉末3D打印技术及其应用

3D打印技术以数字化、网络化、个性化、定制化特点被认为将推动第3次革命技术,金属/陶瓷粉末构件的3D打印技术是目前先进制造技术的重要发展方向。主要介绍了3D打印成形金属/陶瓷粉末技术及其在航空航天等领域的应用现状和展望;详述了3D打印用金属粉末制备方法及不同工艺下粉末的特点及适用范围,进而综述了3D打印用金属粉末设备的工作原理。最后,对该方向的研究进展进行总结,并对其发展前景和主要发展方向进行展望。

Ti-48Al-2Nb-2Cr合金铸造收缩特性研究

目的研究Ti Al合金铸造过程的收缩特性。方法采用Ti4822合金,通过设计长方体、圆柱体、回字形和环形4种典型结构,开展了熔模精密铸造工艺实验。结果基础尺寸在10~80 mm时,Ti4822合金的自由线收缩率在3.11%~2.09%之间,受阻收缩比自由收缩低30%~50%左右,同时随着基础尺寸的增加,自由线收缩量增加,而收缩率呈降低趋势。结论收缩数据和规律的获得,为Ti Al合金铸件尺寸精度控制提供了基础数据。

某种钛合金精密成形铸件铸造变形的数值模拟

目的基于Pro CAST,建立钛合金铸件铸造变形的模拟预测方法。方法以某板状钛合金铸件为例,模拟了充型凝固、型壳内冷却和脱壳后冷却3个过程,并分别对各过程进行了相应假设和参数设置。为验证模拟结果,根据模拟模型设计了浇注验证实验。结果铸件中间部位向外侧凸起,加强筋部位向内侧凹陷,和实验结果基本一致,变形量预测吻合度在60%~72%之间。结论通过合理设置模拟流程和材料参数模型,数值模拟可以预测钛合金铸件的变形规律,并为变形量预测提供重要参考。

铸型预热温度对Ti_3Al环形复杂结构铸件充型的影响

研究了室温、150℃、300℃铸型预热温度下网格试样的充填率和400℃、600℃两种铸型预热温度以及采用砂箱保温对Ti_3Al环形复杂件的充型影响,发现提高铸型预热温度可以改善Ti_3Al的充型能力,但其与铸型面层反应产生气体对液态Ti_3Al合金填充有阻碍作用;铸型放置于砂箱中的条件下,400℃的预热温度可以满足Ti_3Al合金环形复杂构件的完整充型。

TC4合金陶瓷模粉末冶金工艺研究

目的研究陶瓷模粉末冶金工艺,通过数据积累指导未来工程化应用。方法通过氧化钇陶瓷模壳技术,研究构件与铸件的化学成分、力学性能及微观组织。结果粉末件在包套高度方向上金属收缩率明显大于包套水平方向的收缩率;粉末构件内部质量良好,无夹杂,其致密度达到了99.5%;粉末构件室温力学性能优于同成分铸件,部分室温力学性能达到TC4锻件水平。结论采用稀土氧化钇面层、硅溶胶铝矾土背层涂料工艺得到的陶瓷型可用于陶瓷型壳粉末冶金工艺;构件尺寸收缩率在每个方向上不是均匀的,和其在包套内放置方向、包套放置方向都有关系;构件晶粒细小均匀,组织为由细小的魏氏体板条α相与相间β相、等轴α相所组成,等轴α相分布不均匀,主要分布在晶界上;其构件室温力学性能优于同成分铸件力学性能,部分性能达到了锻件水平。

微观组织对Ti-6Al-4V-4Zr-1.5Mo合金绝热剪切敏感性的影响

对锻造态Ti-6Al-4V-4Zr-1.5Mo合金采用不同的热处理工艺得到等轴、双态和网篮3种组织。使用分离式Hopkinson Bar技术对3种组织的试样进行动态剪切试验,研究了不同微观组织对该合金绝热剪切敏感性的影响。结果表明:当加载条件高于其临界应变率时,不同组织试样的承载时间均随着应变率的提高而降低;微观组织对该合金的绝热剪切敏感性影响较大,网篮组织绝热剪切敏感性最低,双态组织绝热剪切敏感性最高;双态组织剪切带附近基体相界处出现微裂纹,是造成其易于发生剪切破坏的主要原因。

微观组织因素对Ti-6Al-4V-4Zr-Mo合金绝热剪切行为的影响(英文)

针对Ti-6Al-4V-4Zr-Mo(Ti6441)合金采用不同的热处理工艺得到等轴和片层2种微观组织,使用分离式Hopkinson Bar技术对2种组织的试样进行动态剪切试验,研究微观组织对该合金绝热剪切敏感性的影响。结果表明:相同加载条件下,片层组织绝热剪切敏感性较等轴组织低;2种组织动态强度接近,但片层组织较等轴组织具有更好的动态延展性;片层组织试样中的绝热剪切带出现分叉现象,从而可以消耗更多的变形能。

锻造工艺对Ti-6Al-4V-4Zr-Mo合金绝热剪切敏感性的影响

对铸造态Ti-6Al-4V-4Zr-Mo合金采用两种不同的锻造工艺(α+β锻造,β锻造)进行热加工,使用Hopkinson Bar技术对这两种不同状态的合金进行动态剪切试验,研究了不同锻造工艺对该合金绝热剪切敏感性的影响。结果表明,α+β锻后试样的微观组织为细小的等轴状组织,β锻后的组织为晶粒粗大的网篮状组织。当加载条件高于其临界应变率时,两种试样的承载时间均随着应变率的提高而降低,β锻造后的试样较α+β锻后的试样具有更高的绝热剪切敏感性。