钛合金扩散连接技术及其层合结构疲劳裂纹扩展研究进展

本文主要对钛合金的扩散连接及层合结构疲劳裂纹扩展行为的研究进展进行了综述,总结了扩散连接钛合金界面的微观组织演变和疲劳裂纹扩展特性。首先概述了超塑成形/扩散连接技术的应用背景和优势,以及提高钛合金扩散连接界面质量的辅助技术(如添加中间层、热氢处理、脉冲电流加热和表面改性)。从钛合金扩散连接和钛合金与其他合金扩散连接两方面综述了界面组织和力学性能,指出组织演变严重依赖界面处合金元素种类和元素相互扩散能力。扩散连接技术可用来制备同种和异种合金的层合结构,且可灵活控制界面焊合与未焊合区域的形状与分布。最后,简述了同种或异种钛合金扩散连接层合结构可降低疲劳裂纹扩展速率,从而优化钛合金构件的疲劳损伤容限性能。

脉冲电流对超薄316L板微流道成形精度的影响

目的研究在金属双极板脉冲电流辅助冲压工艺中,将脉冲电流单独作用于保压阶段、冲压阶段以及作用于整个冲压过程(冲压阶段+保压阶段)3种通电方式对极板流道深度及壁厚分布的影响。方法以316L不锈钢薄板作为实验材料,调节流经样品的电流参数,分别为0、10、20、30 A,分析脉冲电流参数和通电方式对极板流道深度及壁厚分布的影响规律。结果在高电参数下,当采用在冲压阶段通电、在保压阶段断电的方式2时,在保压阶段可促进应力松弛,具有最佳的回弹抑制效果,其成形深度回弹可减小73.88%。在不同电参数下,3种成形方式对双极板流道壁厚分布具有相似的影响。槽顶和槽底的壁厚减薄相对较小,减薄量为原板材厚度的2%~6%;流道直壁壁厚减薄为原板厚度的9%~15%;而外圆角和内圆角区域的壁厚减薄较大,达到27%~30%。结论在金属双极板脉冲电流辅助冲压工艺中,以不同方式施加脉冲电流,均可以显著提升流道深度,对壁厚影响并无明显差别。特别地,采用在冲压阶段通电、在保压阶段断电的方式2可以显著提升对流道回弹的抑制效果。

TC4钛合金扩散连接接头的振动疲劳特性及劣化机理

为了研究扩散连接工艺对材料振动疲劳特性的影响,对扩散连接后的TC4钛合金和原始母材进行一系列振动疲劳试验以及显微组织表征。结果表明:扩散连接的热循环过程引起TC4钛合金显微组织变化,并导致其振动疲劳性能降低。经扩散连接后,TC4钛合金晶粒尺寸的不均匀性增加,加重了材料不同取向α晶粒间的不协调变形,从而使微孔洞易于在晶粒尺寸差异较大的两α晶粒的晶界上萌生,或者在较大α晶粒的内部萌生。同时,扩散连接后材料α晶粒取向的变化使得柱面滑移系更易被启动,促进了裂纹更早地萌生。此外,扩散连接后TC4钛合金β相含量的增加为微孔洞提供了更多的形核位置。因此,由扩散连接热循环过程造成的晶粒尺寸不均匀性增加、晶粒取向变化和β相含量增加使扩散连接TC4钛合金的振动疲劳性能劣化。

微观组织对钛合金扩散连接层合板疲劳裂纹扩展行为的影响

采用扩散连接技术制备了TA2/TA2/TA2层合板。通过引入Ti55异质层制备了TA2/Ti55/TA2异质层合板。通过疲劳裂纹扩展试验,比较了两种层合板的疲劳寿命,研究了异质层对层合板疲劳裂纹扩展行为的影响。通过SEM和EBSD微观分析方法,揭示了异质层对层合板疲劳裂纹扩展行为的影响机理。异质层合板的疲劳裂纹扩展寿命是同质层合板的1.65倍。裂纹尖端从TA2层进入TA2/Ti55界面时,疲劳裂纹扩展速率降低了53.1%。界面壁垒增加、疲劳裂纹尖端塑性区尺寸减小和晶粒择优取向弱化均延缓了疲劳裂纹扩展速率的增速。

钛合金深腔薄壁结构蠕变时效/扩散连接复合工艺与质量评价

为解决深腔薄壁结构制造成本高、周期长和难度大的问题,开展了TC4钛合金深腔薄壁结构蠕变时效/扩散连接复合工艺研究。开发了蠕变时效/扩散连接复合成形工艺和蠕变时效/扩散连接复合成形工艺模具,实现了深腔薄壁结构的精密成形。该模具结构解决了成形过程中的装配、连接和定位等一系列问题。在900℃、10 MPa、60 min的工艺条件下,一步完成了TC4钛合金的蠕变时效以及扩散连接成形。该工艺的材料利用率高达45%,同时能较好地控制深腔薄壁结构的尺寸精度,成形件主要区域精度维持在-0.05~0 mm以内。复合成形后的TC4钛合金抗拉强度仅降低了9.62%,仍具有优异的力学性能。

SP700钛合金低温超塑成形数值模拟与机理研究

针对SP700钛合金低温超塑特性的工程化应用需求,通过数值模拟与超塑成形工艺参数优化保证了成形件的几何精度。首先依据前期高温拉伸试验确定了SP700钛合金合适的超塑成形参数,基于Backofen模型描述了SP700钛合金稳态阶段的流动应力,利用确定的气压加载路径完成了SP700钛合金盒型件超塑气胀成形工艺试验。采用PVX测厚仪测量了盒型件不同区域的厚度分布,与数值仿真结果对比,验证了SP700钛合金超塑成形数值仿真的预测精度。通过室温拉伸分析了SP700钛合金低温超塑成形后的力学性能。结果表明,SP700钛合金具有优异的低温超塑性,可成形质量合格的盒型件,其数值仿真结果与试验结果吻合良好,预测精度可达90%以上。经过超塑成形后,SP700钛合金组织性能并无明显变化,仍具有较优异的力学性能。

TiC/Ti复合材料的高温塑性变形行为及微观组织

采用液相烧结法(LPS)制备了TiC／Ti复合材料,借助X射线衍射(XRD)分析了复合材料的相构成。对TiC／Ti复合材料进行了高温压缩和高温挤压实验,利用扫描电镜(SEM)和光学显微镜(OM)分析了复合材料高温变形前后的微观组织。实验结果表明：基体Ti与烧结助剂中的Cu发生反应生成玻璃相TiCu2。在高温塑性变形过程中,由于液相TiCu_2的存在,使复合材料表现出良好的高温塑性变形能力,压缩率达到72．9％,挤压比为16：1；复合材料高温塑性变形后,材料中的孔洞明显减少,致密度得到提高,组织成分保持稳定：处于液相状态的TiCu2高温挤压后,细化成尺寸为1μm-2μm的小颗粒,均匀分布于基体Ti颗粒的周围。

钛合金电辅助塑性成形技术研究进展

对钛合金电辅助塑性成形工艺研究进展进行了综述,包括电辅助弯曲、电辅助镦粗和电辅助拉拔等。介绍了近期开发的TC4钛合金环段电辅助拉深成形工艺,在1500A大电流(电流密度5.5A/mm^(2))和1.5V低电压作用下,在1min内即可达到所需的600℃左右的成形温度。脉冲电流对TC4钛合金微观组织的影响比较复杂,在一定情况下促进钛合金内的β相向α相的转变,降低其热力学激活能,也可以显著降低TA15钛合金和TA1钛合金的各向异性。适当频率和密度的脉冲电流可修复细小裂纹、韧窝、孔洞等。钛合金的电致塑性主要包括焦耳热效应和纯电塑性效应,现有的研究结果对纯电塑性效应还没有形成一致的结论,对今后的研究方向也进行了阐述。

汽车冲压模具弹簧的失效分析

为了寻找某一汽车零件冲压模具弹簧的失效原因,对弹簧断口部位进行了化学成分、金相组织、硬度、断口SEM扫描等测试。检验的结果表明,失效是由于在高交变应力作用下,弹簧丝在内侧表面附近区域形成了疲劳裂纹源,并最终导致弹簧早期疲劳断裂。

Fe_(78)Si_9B_(13)非晶合金的高温变形性能

通过高温拉伸及胀形实验，研究了Fe78sSi9B13非晶合金的塑性变形性能。高温拉伸的温度范围为430℃～530℃，初始应变速率为1．67×10^-4S^-1～1．67×10^-3S^-1利用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对高温变形后的微观组织进行了分析。高温拉伸的延伸率随温度的升高先增大后减小，450℃时达到最大；在450℃，初始应变速率为8．33×10^-4S^-1时延伸率为40％。在450℃胀形得到半径为5mm、高4mm的近半球试件，显示了Fe78Si9Bl3非晶合金具有良好的高温变形性能。高温塑性变形过程中伴随着非晶的晶化，使塑性流动应力增大，影响了Fe78Si9Bl3非晶合金的高温变形性能。

晶粒尺寸对细晶TC4钛合金高温应力松弛行为的影响（英文）

为了分析晶粒尺寸对应力松弛机制的影响,对三种晶粒尺寸的TC4钛合金在650~750℃温度范围内进行应力松弛试验。基于一种修改立方延时函数建立每种晶粒尺寸的应力松弛模型。根据经典的Arrhenius方程,提出一种简化算法来计算变形激活能。采用微观手段观察晶粒尺寸分布及变化。实验结果表明,在相同温度下晶粒越细的合金初始应力越小,且松弛速率越快,因而更易达到松弛极限。在650℃,应力松弛极限随晶粒尺寸减小而降低;而在700℃和750℃合金达到完全松弛,导致晶粒尺寸对应力松弛极限影响不显著;随着晶粒尺寸的增大,变形激活能升高,在700℃应力松弛机制从晶粒转动和晶界滑移变换为位错运动和动态回复。

不同拉伸速率对SUS304不锈钢室温拉伸力学性能的影响

研究拉伸速率对SUS304不锈钢室温拉伸性能的影响,分析了材料在拉伸过程中微观组织、马氏体转变量和温度的变化。实验结果表明,当拉伸速率为0.005s-1时,材料表面温度升高明显;速率小于0.005s-1时,随着速率的减小,马氏体转变量明显增多;当速率大于0.005s-1时,马氏体转变量少,但变化不大。随着拉伸速率的提高,材料的屈服强度略有增加,抗拉强度和延伸率明显降低。基于拉伸实验结果,提出了考虑应变速率的SUS304不锈钢本构模型,该模型能较好的反映拉伸速率对真应力-应变曲线的影响规律。

TC4钛合金电致塑性V型弯曲性能的实验研究

针对TC4钛合金常温下冲压成形性能差的问题,通过电塑性拉伸、电塑性V型弯曲实验,研究了脉冲电流对TC4钛合金V型弯曲性能的影响规律。电塑性拉伸实验表明,电流可有效提高TC4钛合金的延伸率,降低流动应力,当有效电流密度从9.03A·mm-2增加到11.84A·mm-2时,延伸率从20.1%提高到69.7%。电塑性V型弯曲实验表明,电流可有效提高TC4钛合金的弯曲成形性能,降低回弹角和弯曲成形力,当有效电流密度从14A·mm-2增加到38.67A·mm-2时,回弹角减小47.5%。

电塑性效应下5A90铝锂合金折弯性能

针对5A90铝锂合金在室温下力学性能差而导致其成形复杂零件困难的问题,通过电塑性拉伸、电塑性折弯实验,研究电塑性效应对5A90铝锂合金折弯性能的影响。结果表明,在电塑性作用下,5A90铝锂合金的延伸率明显提高,折弯成形性能变好,且电流越大,折弯性能提高的效果越明显。同时探究了电塑性折弯的相关机理。

脉冲电流频率对退火态TC4钛合金耐腐蚀性能的影响

通过盐雾测试和微观分析研究了不同频率的脉冲电流处理对于退火态TC4钛合金耐腐蚀性能的影响规律。结果表明:盐雾对TC4钛合金的主要腐蚀方式为点腐蚀,随着脉冲电流频率的增加,TC4钛合金的耐腐蚀性能呈现出先变好后变差的趋势,其中获得最优耐腐蚀性能的脉冲频率为200Hz,此时的电压为50V,通电时间为1min,在该条件下处理得到的TC4钛合金耐腐蚀等级可达到9,而未经处理的原始退火态TC4钛合金耐腐蚀等级仅为5。再结晶和相变决定了TC4钛合金脉冲电流处理前后的耐腐蚀性能。

超细晶轻合金的制备及超塑性研究进展

超细晶材料具有优异的超塑性能,综述了通过大塑性变形方法获得镁、铝合金超细晶材料的超塑性能研究进展和通过大塑性变形和热氢处理获得超细晶钛合金的超塑性能,展望了超细晶轻合金的发展趋势。

304不锈钢膜盒的扩散连接工艺研究

以膜盒为代表的超多层结构件熔焊步骤多、操作时间长,且焊缝太窄,难以实现有效连接。为了解决该问题,采用扩散连接工艺替代传统熔焊。首先建立扩散连接装配模型,实现了待焊区有效接触。所有焊缝在950℃,30 MPa,60 min的最佳扩散连接工艺参数下,同时得到可靠连接,大幅提高了304不锈钢多层结构件的制作效率。改进后的定位模具能够有效防止膜盒起皱,并降低了膜盒生产成本。在扩散连接后,在层间放置高温合金垫片,采用800℃保温90 min的热处理工艺,实现了膜盒件定型,所制备的304不锈钢膜盒的压缩比可达到12.69%。

Ti-55高温钛合金纯电塑性效应试验研究

通过电辅助等温拉伸与常规等温拉伸试验研究了脉冲电流对Ti-55高温钛合金拉伸变形行为的影响,并采用扫描电镜观察了Ti-55高温钛合金在不同条件下的微观组织与断口形貌变化。结果表明,Ti-55高温钛合金存在较为明显的纯电塑性效应,电辅助拉伸相较于常规等温拉伸在降低高温钛合金变形抗力与屈强比方面有着更显著的作用;电辅助变形试样的平均晶粒面积及小角度晶界所占比例在600℃时都大于常规热变形,700℃数据结果反转,说明电辅助作用下Ti-55高温钛合金发生动态再结晶所需的温度低于常规热变形;纯电塑性效应的存在增加了Ti-55高温钛合金微孔聚集性断裂的倾向。

Ti6Al4V钛合金自由曲面钣金件超塑成形数值仿真与实验验证

针对Ti6Al4V钛合金自由曲面薄壁钣金件的制造需求,采用超塑成形工艺保证成形件的几何精度。利用数值仿真确定合适的工艺参数和模具工艺补充面,基于Power law模型描述了Ti6Al4V钛合金稳态阶段的流动应力。设计加工超塑成形模具完成了Ti6Al4V钛合金薄板的超塑气胀成形工艺实验,由于成形温度高,成形件表面氧化严重,线切割后得到所需的自由曲面钣金件。采用GOM ATOS光学扫描仪测量了成形件和自由曲面钣金件的几何形状,与CAD模型进行对比以验证成形工艺与模具设计的合理性,实验结果表明,超塑成形后的残余应力小,切边后没有明显的回弹。合适的超塑成形工艺参数为成形温度900℃、气胀压力2.2 MPa、保压47.5 min,自由曲面钣金件的几何精度可以达到±0.2 mm。

切割工艺对超高强度钢边部质量及成形性能影响的试验研究

选用DP980-1. 6 mm、QP1180-1. 2 mm和MS1180-1. 4 mm 3种超高强度钢材料,研究了冲裁间隙和凸模刃口角度对冲裁断面的影响。结果显示,DP980和QP1180对冲裁间隙的变化更加敏感,在冲裁间隙过大时,毛刺高度明显增大导致断面质量极度恶化。通过切割边部显微硬度的变化,对比了冲裁和线切割两种工艺下边部影响区的大小,结果表明冲裁边部显微硬度值高,且影响区宽度较大。采用基于数字图像相关法的切边拉伸试验,探究了冲裁、冲裁+打磨和线切割3种工艺对边部拉伸性能的影响,冲裁+打磨可以改善边部质量,提高成形性能。同时,发现相较于DP980和MS1180,QP1180具有较好的局部成形性能。