超声速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层对TC11钛合金耐磨性和耐蚀性的影响

采用超声速火焰喷涂(HVOF)工艺,在随钻仪器零件常用材料TC11钛合金表面制备金属陶瓷涂层WC-10Co4Cr,利用冲击试验机测量喷涂前后钛合金的冲击韧性,使用磨粒磨损试验机测定涂层的耐磨性,采用电化学测试分析涂层的耐蚀性。结果表明:HVOF工艺对TC11钛合金的组织和性能影响较小,与未喷涂的钛合金相比,界面处基体的显微组织和显微硬度没有明显变化,冲击韧性稍有提高;HVOF工艺稳定可靠,涂层呈片层结构,致密度高,涂层的孔隙率为2.55%,硬度达到1400 HV,涂层主要由WC和W2C相组成,其与基体结合良好,为机械结合;金属陶瓷涂层能够显著改善钛合金的耐磨性和耐蚀性,喷涂涂层钛合金的磨损量是未喷涂钛合金的1.56%,喷涂涂层钛合金的磨损机制是磨粒磨损,未喷涂涂层钛合金磨损机制是磨粒磨损+黏着磨损。

锥度球头刀铣削钛合金TC11切削力研究

针对薄壁零件侧壁的高效率和高精度加工难题,采用ABAQUS有限元仿真软件,建立了锥度球头刀铣削钛合金TC11的有限元仿真模型。利用正交试验,分析了切削工艺参数(切削深度、切削速度以及每齿进给量)对切削力影响的主次关系。基于多元线性回归方法理论,建立了切削力经验预测模型,并分析了工艺参数交互作用对切削力的影响规律。通过模型预测结果和切削力试验结果的比对,验证了模型的精确性。

TC11钛合金动态回复与动态再结晶高温本构模型研究

采用Gleeble-1500热模拟试验机在变形温度为900~1050℃、应变速率为0.1~10 s^(-1)的条件下,对TC11钛合金进行等温恒应变速率单轴压缩试验。组织观测结果表明,在热变形过程中,TC11钛合金存在明显的动态再结晶现象,变形温度分别为900℃和950℃时,再结晶晶粒尺寸随应变速率增加而先增大后减小;变形温度分别达1000℃和1050℃时,α相含量大量减少,组织演变中动态再结晶机制占主导,晶粒细化明显。为研究此现象对流变行为的影响,结合K-M位错密度模型与动态再结晶分数模型,建立了基于动态回复与动态再结晶现象的流动应力高温本构模型。将此本构模型预测结果与试验数据对比分析,相关性系数和平均相对误差分别为0.989和6.53%,表明所构建的考虑动态回复与动态再结晶的流动应力模型能够准确预测TC11钛合金热变形条件下的流动应力。

Inconel625合金和TC11合金的短电弧加工特性分析

利用短电弧加工系统对Inconel625合金和TC11合金在不同电加工参数下加工,研究了电参数的变化和电加工高温对该材料的加工性能、金相组织及硬度变化的影响。结果表明:该加工技术对两种难加工材料均具有较明显的去除率,高电压加工去除率更高,但加工表面较粗糙,而低电压加工会获得较好的表面质量。受电加工热能影响,材料金相组织均发生转变,晶粒细化明显,Inconel625合金形成318.6μm厚的热影响层,其硬度提升16.9%;TC11合金形成175.2μm厚的热影响层,其硬度提升32.8%,两种材料的性能变化均能满足后续的精加工要求。

VAR熔炼补缩工艺对TC11钛合金铸锭质量的影响

将真空自耗电弧熔炼(VAR)补缩过程分为起始期、降温期和烘烤期,并结合各阶段特点研究了补缩工艺对TC11钛合金铸锭冒口深度、头部化学成分及平均晶粒尺寸的影响。结果表明:熔炼电流增大,铸锭冒口深度、头部成分偏差及平均晶粒尺寸均增大;随着降温持续时间的延长,冒口深度减小,且二者存在一定的线性关系;随着烘烤持续时间的延长,冒口深度减小,但会导致头部成分偏差及平均晶粒尺寸增大。VAR熔炼补缩前采用较小熔炼电流,延长降温期时间,控制烘烤持续时间,可获得冒口深度小、成分均匀、晶粒尺寸较佳的TC11钛合金铸锭。

准β锻造和β热处理对TC11组织和断裂韧性的影响

研究了准β锻造和β热处理对TC11钛合金显微组织和断裂韧性的影响。结果表明TC11钛合金经准β锻造及β热处理后断裂韧性相较于魏氏组织明显提升,延伸率提升约50%,断面收缩率提升约20%,KIC提升约20%。由于准β锻造改变了层片状α相的析出形态,形成了取向差异化明显的束集,抵抗裂纹扩展的组织协调性更佳,从而使得断裂韧性更优;而魏氏组织试样主要以晶界和大片次生α相增加裂纹扩展曲折性。

TC11车削力模型回归分析及工艺参数双目标优化

TC11是α+β型钛合金,因为其优越的材料性能,一直被广泛的应用于航空航天领域。在实际的加工过程中,工艺参数的选取一直是不容忽视的问题。以加工某型TC11材料的航空盘类零件为背景,运用ABAQUS有限元软件,对此零件的外圆车削部分进行了工艺参数的选取优化。首先建立三维一比一简化模型,采用三因素四水平正交实验法。量化了在大切削深度、低进给量和低切削速度背景下的切削力变化规律,得出切削三要素对切削力的影响排序为:切削深度>切削速度>进给量。其次基于仿真正交实验数据,分别建立了以最小切削力和最大材料去除率为目标的回归模型,并对模型公式进行方差检验。最后使用MATLAB软件,应用非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)对最小切削力和最大材料去除率进行双目标优化,得到了最佳切削参数选取区域,并给适用粗加工和精加工的参数选取区间。

退火温度对TC11钛合金微观组织和拉伸性能的影响

对ϕ140 mm TC11钛合金试棒分别进行了940℃、960℃、980℃和1000℃加热5h空冷的退火处理.采用光学显微镜、扫描电子显微镜和室温拉伸试验检测了合金的微观组织、拉伸性能及拉伸断口的微观形貌.结果表明:随着退火温度的升高,合金中初生α相减少至消失,析出的针状α相增多,组织从双态组织转变为细小的层状β转变组织;随着退火温度的升高,合金强度提高,塑性降低;两相区温度退火的合金拉伸断口以韧窝为主,而在单相区温度退火的合金拉伸断口主要呈岩石状,仅有很少的韧窝.

TC11钛合金棒料缺陷分析

某批ϕ120 mm TC11钛合金棒料超声波检测时发现有缺陷。采用X射线检测、金相检验、微区成分分析和显微硬度检测等分析了缺陷的性质和产生原因。结果表明:缺陷为细长条高密度Mo夹杂物,与基体冶金结合,且有元素扩散。缺陷的产生可能是一次锭装炉过程中,底部与铸锭存放区的钢板接触,导致外来金属附着在其端部,随后在对焊过程中进入铸锭。

固溶态TC11钛合金的微观组织与拉伸性能的研究

以TC11钛合金作为本文的实验材料,通过实施一系列不同温度的固溶处理,对合金的微观组织与拉伸性能进行深入全面实验研究,结果表明:初生α相的含量随着固溶温度的升高而减少,且其含量在固溶温度接近相变点时显著下降。并发现初生α相在固溶温度超过相变点后完全从组织中消失。固溶温度的提高有助于强化合金的抗拉强度和屈服强度,但合金塑性性能在此过程中会不断降低。固溶温度较低时的拉伸断口表面起伏不平,断口中韧窝的数量较多,韧窝的尺寸较大且深度较深。当固溶温度较高时,拉伸断口表面韧窝数量与尺寸均明显减少,断口主要以河流状花样和解理台阶为典型特征,且还出现了二次裂纹和撕裂棱。

TC11钛合金不同热处理状态摩擦磨损性能研究

钛及钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀的性能,被广泛用于航空、航天领域。但是钛合金存在耐磨性能较差的问题。为了研究TC11钛合金的摩擦磨损性能,采用“球-盘”式干滑动摩擦磨损试验,研究不同载荷、转速、润滑条件下,TC11钛合金在退火状态和固溶时效处理状态的摩擦磨损行为,分析摩擦系数及磨损率趋势。结果表明:固溶时效处理状态TC11钛合金的硬度、平均摩擦系数、磨损率均高于退火状态;随着载荷的增大,退火状态的摩擦系数先增大后减小,固溶时效状态的平均摩擦系数不断减小,磨损率都随着载荷的增大先增大后减小;随着转速的增大,2种热处理状态TC11钛合金的平均摩擦系数均减小,磨损率整体呈下降趋势;在不同介质中,退火状态的TC11钛合金在海水中的摩擦系数和磨损率均高于水溶液,随着载荷的增大,摩擦系数和磨损率都减小。

不同退火组织对TC11钛合金动态冲击性能的影响

以TC11钛合金为研究对象,研究了双级退火工艺和单重普通退火工艺对其微观组织及室温准静态和动态力学性能的影响。结果表明:TC11钛合金经过合理的优化双重退火工艺可以得到比普通退火处理较优的室温准静态和动态力学性能。当退火温度高于再结晶温度时,初生α_(p)相含量减少,细小弥散分布的次生αs相增多,可以提高合金的冲击韧性。随着双重退火工艺第一次退火温度的升高,合金的室温强度先降低后升高,伸长率先升高后降低,断面收缩率呈线性升高,在退火温度为970℃时获得最佳的准静态力学性能,强塑积为18.30 GPa%;随着普通退火温度的升高,合金强度先增加后略微降低,在退火温度为950℃时,具有最佳的准静态力学性能,强塑积为17.37 GPa%;在3500 s^(-1)应变速率下,双重退火处理试样在第一次退火温度为950℃时获得较大的平均流变应力和冲击吸收能量,性能显著优于普通退火处理试样。

高压热处理对TC11钛合金组织及力学性能的影响

目的为提高TC11钛合金的力学性能,对TC11钛合金进行了高压热处理实验研究,并分析了高压热处理对TC11钛合金组织及力学性能的影响规律。方法采用六面顶压机对退火态的TC11钛合金试样进行高压热处理实验,高压热处理工艺流程如下:分别在1、3、5 GPa压力下,将原始态TC11钛合金试样加热至1000℃,保温20 min后冷却,然后对高压处理后的试样进行微观组织分析。利用X射线衍射仪(XRD)分析试样物相组成,利用场发射电子显微镜(SEM)分析微观组织形貌和断口形貌,利用透射电子显微镜(TEM)观察试样相形貌和位错密度。通过纳米压痕实验机、维氏硬度计、力学实验机等,测试经过处理的钛合金的室温硬度和力学性能。利用热模拟实验测试TC11钛合金试样400℃时的压缩强度。结果高压热处理有效提高了TC11钛合金试样的塑性变形抗力、硬度和抗压强度。TC11钛合金在3 GPa高压热处理工艺下的室温硬度、室温抗压强度和400℃抗压强度分别为378HV、1610 MPa和1442 MPa,与相同工艺的常压热处理相比,分别提高了12.84%、9.89%、8.58%。结论高压热处理可细化TC11钛合金微观组织,提高基体的位错密度,从而有效提升了TC11钛合金的综合力学性能。

振荡激光扫描路径对TC11钛合金焊接组织性能的影响

目的研究余弦振荡和圆形振荡激光焊接对TC11钛合金组织性能的影响。方法通过气孔试验,得到了无振荡、余弦振荡和圆形振荡接头的气孔率;通过金相试验观察并分析了接头的微观组织;通过XRD试验得到了接头的物相构成;通过SEM试验观察并分析了接头的显微组织;通过拉伸试验,得到了接头的抗拉强度;通过仿真得到了激光焊接过程中的温度分布,并将仿真结果与试验结果进行了比对。结果常规焊缝、余弦振荡焊缝、圆形振荡焊缝的气孔率分别为8.33%、5.67%、1.69%。3种焊缝的显微组织分布大体相同,均由焊缝熔合区、再结晶区和热影响区组成。圆形振荡激光焊接焊缝熔合区更细小。3种焊缝熔合区和再结晶区均产生α'马氏体相,且焊缝熔合区的α'马氏体相较多。常规激光焊接、余弦振荡激光焊接、圆形振荡激光焊接的抗拉强度分别为947.3、1041.8、1105.2 MPa,约为母材的85%、93.5%、99.2%。结论采用余弦和圆形振荡扫描激光焊接方法均可以抑制焊缝的气孔率和提升焊缝强度,进而提升TC11高温钛合金焊缝的质量,其中以圆形振荡更优。

纳米Nd_(2)O_(3)对TC11钛合金微弧氧化层耐磨性及高温抗氧化性能的影响

为了提高TC11钛合金耐磨性及高温抗氧化性,通过添加不同浓度Nd_(2)O_(3)颗粒制备了Nd_(2)O_(3)颗粒掺杂的微弧氧化层。采用扫描电镜、X射线衍射仪等研究了Nd_(2)O_(3)浓度对TC11钛合金表面微弧氧化层微观结构、物相组成的影响,并评价了涂层的耐磨性与高温抗氧化性能。结果表明:添加Nd_(2)O_(3)颗粒后,膜层表面的微孔数量减少,膜层物相以金红石型TiO_(2)和锐钛矿型TiO_(2)为主,随着Nd_(2)O_(3)浓度的增加,Nd元素在膜层中的含量逐渐增加,膜层厚度先增大后减小;在Nd_(2)O_(3)浓度为1 g/L时,所制备的微弧氧化层综合性能最佳,膜层平均厚度8.68μm,磨损失重0.43 mg,磨痕宽度598.04μm,高温氧化增重0.139 mg/cm^(2)。与TC11钛合金基体和未添加Nd_(2)O_(3)颗粒的试样相比,添加1 g/L Nd_(2)O_(3)后微弧氧化层的高温抗氧化性得到显著改善,耐磨性较未添加Nd_(2)O_(3)颗粒时的下降。

TC11钛合金深孔钻削试验研究与切屑形态分析

以难加工材料TC11钛合金为研究对象,针对TC11钛合金内排屑深孔钻削时存在断屑困难等问题,开展TC11钛合金BTA深孔钻削试验研究。为了获得理想的切屑形态,分析BTA深孔钻削机床的主轴转速和进给量对切屑形态的影响规律。试验表明,当转速为98r/min、进给量为0.16mm/r时,切屑呈短螺旋形状,导向块磨损相对最小,有利于顺畅排屑,加工过程稳定。本研究为钛合金等难加工材料的深孔钻削参数的选择提供了依据。

增材制造和锻造TC11钛合金激光焊接头组织与力学性能

采用增材制造方法制备航空航天大尺寸构件经常会受到加工效率、设备最大加工尺寸的限制,开发增材制造和焊接相结合的复合制造技术有望解决这一问题.因此,开展了增材制造和锻造TC11钛合金激光焊试验,研究了增材制造TC11(TC11-AM)/锻造TC11(TC11-R),TC11-AM/TC11-AM和TC11-R/TC11-R 3种接头的焊接性,开展了焊接接头微观组织、硬度和拉伸试验,并观察了拉伸试样的断口形貌.结果表明,3种接头的焊缝区均未发现明显的气孔缺陷.由于熔池温度梯度大、冷却速度快,焊缝组织均为内部布满α′马氏体相的粗大柱状晶粒.3种接头抗拉强度分别约为1575,1687 MPa和1593 MPa.TC11-R/TC11-R接头和TC11-AM/TC11-AM接头横截面显微硬度呈高斯分布,硬度值分别为445 HV±31 HV和424 HV±6 HV.由于接头不同区域的组织差异明显,TC11-AM/TC11-R接头显微硬度呈台阶状分布,硬度值为432 HV±21 HV.3种接头的拉伸试样均为韧性断裂,发现断裂面均有大量韧窝.通过对比接头的抗拉强度可知,TC11-AM/TC11-R接头和TC11-AM/TC11-AM接头具有良好的焊接性.创新点:(1)对比分析了TC11-AM/TC11-R,TC11-AM/TC11-AM和TC11-R/TC11-R 3种接头的微观组织和力学性能的差异.(2)研究了不同母材状态下焊接接头维氏硬度分布特征的影响规律.

盐沉积方式对TC11钛合金热盐腐蚀行为的影响

目的对比研究人工涂盐方法和盐雾试验方法沉积盐膜对TC11钛合金热腐蚀行为的影响规律。方法对人工涂盐和盐雾试验沉积盐膜的TC11钛合金试样500℃高温热盐腐蚀形貌、腐蚀动力学和腐蚀机理进行对比分析。结果2种不同盐膜沉积方式的TC11钛合金试样表面盐分的分布形态存在明显的区别,盐雾腐蚀试样表面的盐分存在局部聚集现象,人工涂盐试样盐分分布较为均匀。2种方式沉积盐分试样热盐腐蚀试验后,从腐蚀较严重面积S大小角度对比,人工涂盐试样>盐雾试验试样;从局部腐蚀最大深度D看,盐雾试验试样盐分集中区域>人工涂盐试样>盐雾试验试样盐分较少区域。腐蚀动力学均遵从抛物线规律,盐雾试验试样和人工涂盐试样的热盐腐蚀抛物线速率常数分别比未沉积盐试样氧化抛物线速率常数提高了26倍和63倍。2类盐沉积试样的热盐腐蚀机理相同,失效模式相近。结论人工涂盐方法可以代替盐雾试验进行钛合金热盐腐蚀实验室加速试验,但需要注意腐蚀形态特征上存在一定的差异性。

中温高强TC11和TC19钛合金锻件组织与性能研究

针对航空发动机压气机整体叶盘等部件所使用的TC11、TC192种中温高强钛合金锻件,基于其各自典型使用状态,开展了组织形貌和不同条件下拉伸性能、冲击韧度以及保载/无保载条件下低周疲劳性能的对比分析研究。结果表明:TC11钛合金锻件呈现典型的双态组织,TC19钛合金锻件呈现全片层网篮组织;TC19钛合金锻件在100~400℃下的拉伸强度明显优于TC11钛合金锻件。TC19钛合金锻件的高温缺口冲击韧度值明显高于TC11钛合金锻件,在100℃和855MPa峰值应力载荷下,TC19钛合金锻件的保载和无保载疲劳寿命均明显高于TC11钛合金锻件,且2种合金均存在一定的保载效应。

焊后热处理对TC11钛合金线性摩擦焊接头组织与性能的影响

焊后热处理可以改善线性摩擦焊接头的组织与性能。对TC11钛合金线性摩擦焊接头进行双重退火(950+530)℃处理,利用光学显微镜、扫描电子显微镜等微观分析技术研究双重退火对焊接接头组织的影响。结果表明:热处理后接头焊缝区的动态再结晶晶粒完全消失,被粗针状、条状和球状α相取代。热力影响区组织变形程度减小,晶粒长大,部分α组织球化。母材中次生α相长大,呈粗针及短棒状。接头焊缝区及热力影响区的晶粒取向在热处理后更加随机,择优取向明显降低。力学性能测试表明,焊后双重退火处理消除接头中心高硬度区,接头中心硬度较焊态接头硬度下降约50HV,热力影响区硬度较焊态接头硬度上升约30HV;焊后热处理对接头拉伸强度没有显著影响;热处理后接头冲击韧性达到61.3 J·cm^(-2),相比焊态提高约80%,与母材的冲击韧性接近。