热加工及热处理工艺对TC21钛合金板材微观组织和力学性能的影响

对TC21钛合金板材进行不同工艺的热轧制及热处理试验,阐明了不同工艺条件下微观组织的演变规律,明确了板材强塑性、冲击功以及断裂行为与不同显微组织之间的对应关系。研究表明,随着轧制温度从930℃升高至1060℃,板材显微组织依次由板条组织变为等轴组织再变为双态组织,该过程中板材强度降低,塑性变化不大,冲击韧性无明显的规律性,960℃和1060℃轧制时板材冲击韧性较高;通过热处理同样可以有效调控显微组织,随着固溶温度从900℃升高至960℃,再经相同工艺时效处理后,原始的α相向β相转变,并在固溶温度为960℃时析出细小的α板条,该过程中强度先升高后降低,塑性和冲击韧性则先降低后升高。960℃轧制得到的TC21钛合金板材经过960℃×2 h/AC+590℃×4 h/AC热处理后,可获得较好的强韧匹配。

结晶器溢流口位置对电子束熔炼钛锭凝固过程的影响

使用有限元方法模拟计算电子束冷床熔炼大规格钛锭稳态连铸凝固过程中温度场流场耦合行为,分析结晶器溢流口位置对大规格钛锭凝固过程的影响。结果表明:当工艺条件相同时,流场耦合温度场后会导致凝固界面形貌不规则,糊状区体积增加;当溢流口的位置不在结晶器内宽面正中间时,相对于溢流口另一边的熔池深度会降低;溢流口位置的变化对固相率的影响不大,但是对凝固界面的影响较大,当溢流口位置位于钛锭熔池表面中心时熔池和凝固界面更加均匀和平稳。

大规格钛锭连铸过程中熔炼速度对凝固界面的影响

通过建立电子束冷床熔炼大规格钛锭稳态连铸模型,考虑了温度场和流场的耦合行为,使用有限元方法定量地获得熔炼速度对大规格钛锭凝固过程中的熔池深度和固相率的影响规律。结果表明:在一定工艺条件下,流场耦合温度场后固相率将增加,熔池深度将降低;当熔炼速度降低时,固相率增加,熔池深度降低,同时钛锭液相区流速降低。

钛锭连铸过程中结晶器高度与厚度对凝固界面形貌的影响

应用有限元数值计算方法研究了电子束冷床熔炼连铸钛锭过程中水冷结晶器高度及厚度对大规格钛锭固液界面形貌的影响规律。结果表明:在相同的工艺条件下,随着水冷结晶器的高度增加,钛锭的熔池深度逐渐降低,当水冷铜结晶器高度超过结晶器有效散热高度(300)mm后,钛锭的固液界面形貌趋于稳定;随着水冷结晶器厚度的增加,钛锭的熔池深度逐渐增加,固相率逐渐降低,但钛锭固液界面的熔池形貌变化不显著。

钛合金TC4真空自耗熔炼工艺参数对宏观偏析影响

采用Fluent软件模拟了钛合金TC4真空自耗熔炼过程中温度场、流场和溶质场相互作用,研究了与铸锭直接相关的3个工艺参数(熔速、铸锭上表面温度和冷却强度)对铸锭宏观偏析的影响规律。结果表明:不同熔炼条件下,在铸锭1000 mm高度处的铁元素径向偏析均呈钟形分布,即铸锭芯部为正偏析,表面区域为负偏析,且负偏析程度均大于正偏析。熔炼速度对铸锭温度场和宏观偏析的影响最为明显:当熔炼速度由0.15 mm/s增加到0.18 mm/s时,铸锭达到稳定熔炼阶段时的高度由1200 mm增加到1600 mm,熔池深度由494 mm增加到738 mm。当距铸锭中心距离小于130 mm时,偏析随熔炼速度增加而减小,在熔炼速度为0.15 mm/s时达到最大值,为3.36%;当距铸锭中心距离大于295 mm时,偏析随熔炼速度增大而增大,在熔炼速度为0.21 mm/s时达到最大值6.23%。铸锭上表面温度和冷却强度对宏观偏析和熔池深度的影响不明显。通过正交分析得到3个主要工艺参数对宏观偏析影响程度为:熔炼速度>冷却强度>铸锭上表面温度,并得到最优工艺参数为熔炼速度0.15 mm/s、铸锭上表面温度2179 K、冷却强度500(底部)/1000(侧面)W·m^(-2)·K^(-1)。

钛合金真空自耗熔炼过程中电流、磁场和电磁力数值模拟

采用有限元模拟软件Ansys Electromagnetics Suite中Maxwell 3D模块建立钛合金真空自耗熔炼过程电磁场数学物理模型,分析并掌握熔炼过程中电流、磁场和电磁力相互作用规律,并研究了熔炼电流和搅拌电流变化对磁场及电磁力的影响。结果表明:铸锭中电流均呈向心分布,且集中分布在铸锭上部350 mm范围内;熔炼电流产生切向磁场,搅拌电流产生轴向磁场,两者进行简单耦合;在熔炼电流及其自感磁场的作用下,产生径向和轴向电磁力;该电磁力又在搅拌磁场的作用下发生旋转,产生切向电磁力;随熔炼电流线性变化,磁场切向分量和电磁力的径向和轴向合力均呈线性变化;随搅拌电流线性变化,磁场轴向分量和电磁力径向分量均呈线性变化。

EB炉熔炼大规格钛扁锭凝固过程的数值模拟

基于MiLE算法对大规格钛扁锭凝固过程进行非稳态模拟,研究了大规格钛锭的横截面尺寸、浇注温度和拉锭速度对其固、液界面形貌、液相区深度以及过渡区长度变化旳影响。结果表明,当钛锭宽度为200mm时,钛锭长度从200mm增加到1 200mm时,熔池深度先增大而后维持在77mm,同时固相率随着钛锭长度的增大而逐渐降低;当钛锭的横断面面积不变时,固液界面深度随着钛锭宽度的增加而减小,固相率随着钛锭宽度的增大而逐渐增大。结晶器散热的有效距离是区分钛锭长度影响其固液界面形貌的临界值。此外,随着浇注温度和拉锭速度的提高,钛扁锭非稳态过渡区长度呈线性增加,并且相对于浇注温度,拉锭速度对非稳态过渡区长度的影响更为显著。

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al钛合金固溶-时效过程的析出行为

对Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al钛合金进行不同工艺的固溶-时效处理。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等方法研究了不同固溶-时效工艺对材料的析出行为和力学性能的影响。结果表明:经过980℃/0.5h固溶处理后,组织中出现了大量亚稳态的马氏体α’相,通过随后的时效处理,将析出不同数量和形态的α相。随着时效温度升高或时间增长,析出相数量增多,形态由无规则聚集态向针状转变,析出物的尺寸和间距也增大。时效过程中材料析出大量纳米级弥散分布的α相,形成的α/β相界面对位错运动起到阻碍作用,从而提高合金强度。析出相数量越多,越细小,强化作用越大。而塑性主要取决于析出相在晶界上的分布形态和数量,晶界的连续α相分布会严重损害材料的塑性。

50mm厚板TC4及TA17钛合金真空电子束焊接工艺研究

采用JMATPRO热力学软件,在分析TC4和TA17钛合金的密度、比热和导热率等特性的基础上,开展了厚度50 mm的TC4和TA17钛合金真空电子束焊接试验,设计了高压和中压加速电压,不同焊接束流和焊接速度的参数变化,研究了焊接工艺参数对焊缝熔宽和熔深及焊缝成形系数的影响作用。试验结果表明,相同焊接工艺参数条件下TC4钛合金的熔深和焊缝成形系数较TA17高,焊接束流对熔深和焊缝成形系数影响能力最为突出,加速电压150 kV的高压更适合于大厚板钛合金的真空电子束焊接。

基于步进式加热炉的钛坯加热过程温度场研究

基于某钢厂的蓄热室步进式加热炉,以炉内的TA1钛坯为研究对象,建立传热的数学模型和加热过程的有限元模型,开展钛坯在炉内加热过程中的温度分布研究。研究炉膛温度和钛坯入炉温度对钛坯加热过程中最大断面温差的影响,以及预热段温度和一加热段温度对满足出炉要求钛坯芯部温度的加热时间影响。结果表明:钛坯经过预热段和加热段加热时,其最高温度一直位于端面角部,最低温度位于钛坯芯部,而经过均热段后,角部温度最低。预热段温度每升高5℃,最大断面温差增加1~2℃,钛坯入炉温度每升高50℃,最大断面温差减小3~8℃;预热段温度每升高10℃,芯部温度满足出炉要求的时间减少1~2 min,一加热段温度每升高10℃,芯部温度满足出炉要求的时间减少4~6 min。

高强钛合金TIG焊接工艺研究

采用一种新型Ti-V-Mo系高强钛合金,通过TIG自动送丝和手动填丝两种方式进行了焊接工艺试验,对焊接接头的成形、组织和力学性能进行了分析测试。结果表明:两种焊接方式下的焊缝外观成形都很美观,没有飞溅和咬边等缺陷,焊道表面呈银白色;母材是一种等轴α相含量较高的双态组织,热影响区晶粒十分粗大,内部主要是针状α'相,焊缝区晶粒也十分粗大,主要由层片α相转变组织构成,含有少量针状α'相;自动送丝TIG和手动填丝TIG的接头抗拉强度分别为822 MPa和612 MPa,热影响区的冲击吸收功分别达到了72.2 J和84.9 J,表明该钛合金在TIG焊接工艺下,热影响区具有良好的韧性特征。

固溶时效处理对Ti60合金组织及性能的影响

通过光学显微镜和扫描电镜观察分析固溶时效处理对Ti60合金微观组织的影响,结合其室温及600℃高温拉伸分析得到:锻坯1/2高区域,组织较为均匀,适于在此取样开展Ti60合金固溶时效处理及后续性能研究。采用1035℃/2 h/WQ+700℃/5 h/AC固溶时效处理,Ti60合金的室温抗拉强度为1193 MPa,延伸率为6.7%;600℃高温抗拉强度达到751MPa,延伸率为20.3%,具有较好的强塑性匹配。试样的裂纹源起源于试样中心部位,断面凹凸不平,为典型的韧窝型断裂;裂纹源在边部时,以爆炸式发散,断口均有明显的撕裂棱和解理面,断裂方式为脆性断裂。在600℃长时间暴露过程中,合金表面发生氧化,降低Ti60合金热稳定性及塑性。于600℃环境中考察Ti60合金长期稳定服役性能,Ti60合金锻态室温抗拉强度为1064 MPa,延展率为9.4%;固溶时效后试样抗拉强度为1224 MPa,延展率为4.7%。

航空航天用Ti60高温钛合金铸锭制备工艺

针对Ti60高温钛合金在熔炼工艺上的关键技术,选用等级较高的0A级军工小粒海绵钛以及合适的中间合金,采用真空自耗电弧炉熔炼,通过控制熔炼电流电压等关键工艺参数,制备出Ø310 mm大型Ti60高温钛合金铸锭。铸锭表面质量良好,没有出现冷隔和不到边等缺陷。经检测,各合金元素在铸锭上均匀分布,杂质元素含量以及分布控制较好,系统研究了以中间合金方式添加的Nb、Ta、Mo等高熔点元素以及低熔点元素Sn的配入方式和熔炼电流、熔炼电压等工艺参数对合金铸锭的成分均匀性以及缺陷控制的影响。此铸锭通过后续工序所制出的锻件,经过力学性能以及超声探伤,均达到了行业要求。

钛合金焊接过程防氧化保护技术进展

钛及钛合金综合性能优异,但由于高温活性强导致焊接氧化问题严重,特别是在很低的固态温度下仍然吸收气体影响焊接接头质量,因此需要严格的焊接保护措施。在分析了钛合金的氧化机理及特性的基础上,系统总结了焊接过程中的各种防氧化保护措施和具体技术。详细介绍了钛合金长直焊缝、环形焊缝、空间不规则焊缝以及增材制造四种典型过程的防氧化保护问题,主要的防护措施有保护拖罩、封闭式充氩环境以及强制冷却三大类。针对钛合金长直焊缝局部气体保护,一般形式为保护拖罩结合背面保护气槽以及水冷措施;对于环形焊缝的背面保护方式,可以采用背面拖罩或者整体充氩保护的方法,其正面保护采用弧形拖罩即可;而不规则焊缝受限于空间形状,焊接拖罩的方法不再适用,小尺寸构件可采用简易充氩保护箱,大尺寸构件保护问题亟待解决;增材制造过程中的热积累问题也对其保护形式提出了更高的要求,目前采用具有一定气体挺度的层流惰性气体和CO_(2)跟随强制冷却的方式取得了较好的效果。