等离子喷涂NiAl涂层对基体TC4板材力学性能的影响

在室温、高温下对含NiAl涂层的TC4板材进行拉伸试验,测试其不同应变速率和温度下的抗拉强度、伸长率。用金相显微镜观察涂层的显微组织。统计涂层的孔隙率和界面夹杂物面积。结果表明:涂层孔隙率为7.5%,结合界面夹杂物面积为35.2%。等离子喷涂NiAl无法提高TC4板材的室温及高温强度,因涂层的过早脱落,导致板材实际承载面积减小,基体强度降低,且NiAl涂层降低了TC4板材的伸长率,其原因是涂层破裂使基体表面产生裂纹,导致基体提前断裂,降低伸长率。

TC4表面激光熔覆硬质复合涂层组织与性能

TC4凭借比强度高、耐腐蚀性好、质量轻等一系列优点,被广泛应用于航空航天领域,但其摩擦系数大、耐磨性差等缺点极大地限制了其应用范围,针对TC4硬度低、耐磨性差等缺点,采用4 kW大功率Laser4000半导体激光器,选用过渡族难熔碳化物HfC、TaC和ZrC作为增强相,以H13钢基粉末作为基粉,利用激光熔覆技术在TC4表面制备了不同比例的钢基金属-陶瓷硬质涂层。之后利用扫描电镜(SEM)、EDS能谱仪、D/max-2500/PC型X射线衍射仪(XDR)等试验手段对不同比例涂层的宏观形貌、显微组织、物相组成和涂层元素分布等进行对比分析,利用Qness型号维氏显微硬度计测试涂层硬度并分析熔覆试样截面微观硬度变化规律,利用MMU-5G型端面摩擦磨损试验机研究了不同材料组分涂层的摩擦磨损性能,研究结果表明:试件熔覆层与基材形成了良好的冶金结合,熔覆层组织形态主要以枝晶组织以及块状组织为主,各熔覆层的主要物相中均含有TiC,随着三元陶瓷粉末含量的增加,MC的含量也随之增加,当碳化物混合粉末添加量为15%(质量分数)时,熔覆层中检测到Hf_(0.8)Ta_(0.2)Fe_(2)三元合金相。当三元陶瓷粉添含量为10%(质量分数)时,熔覆层晶粒最为细小,涂层平均硬度最高,平均硬度约为763.43 HV,是基材硬度的2.29倍,当三元陶瓷粉末含量为5%(质量分数)时涂层的耐磨性最好,相对耐磨性为25%。

TC4表面掺La微弧氧化涂层的显微结构与耐磨性的研究

针对TC4钛合金在服役期间耐磨性较差等问题,本文在乙酸钙-六偏磷酸钠电解液体系下运用微弧氧化工艺在TC4钛合金表面制备出掺La陶瓷涂层。重点研究了电解液中掺杂La(NO_(3))_(3)对TC4钛合金微弧氧化涂层(MAO)耐磨性的影响。利用XRD、SEM、显微硬度计、摩擦磨损试验机、涂层附着力划痕仪等仪器对不同La(NO_(3))_(3)掺杂量下的微弧氧化涂层的物相组成、微观形貌、厚度、显微硬度、摩擦因数、结合力等指标进行表征。结果表明:随着La(NO_(3))_(3)掺杂量增加,MAO涂层由HAp、A-TiO_(2)、R-TiO_(2)、La_(2)O_(3)相组成。掺La陶瓷涂层厚度虽略有减小,但致密性有所提高。涂层的显微硬度先增大后减小、摩擦因数先减小后增大。当La(NO_(3))_(3)掺杂量为6 g/L时,涂层显微硬度提高31.18%,涂层与基体结合力提高30.59%,MAO涂层摩擦因数最小,约为0.55。

润滑条件对TC4钛合金切削加工影响的实验研究

为了研究冷却润滑条件及切削参数对TC4钛合金的切削力和表面粗糙度的影响,分别开展CMQL、冷风、浇注式冷却润滑条件的TC4钛合金高速切削实验、四种不同润滑环境的粗/半精/精加工实验以及CMQL条件下TC4钛合金正交切削试验,通过单因素分析和正交试验法研究冷却润滑条件及切削参数对切削加工性的影响。研究表明:CMQL冷却润滑条件可在TC4钛合金高速切削时有效降低切削阻力和改善表面粗糙度,并在高速精车削阶段体现出降低切削阻力的优势。考虑CMQL条件下高速精车TC4钛合金加工效率,最佳参数组合为较高的切削速度、较小的精加工余量和合适范围内较大的进给量。

TC4钛合金电致塑性本构方程建立

采用自行设计的绝缘夹具对TC4钛合金板材进行了电致塑性单向拉伸试验。基于对照试验的方法,以无脉冲电流且不同温度条件作为参照,与同等温度条件下脉冲电流加热情况进行对比,以探索电流参数对TC4钛合金电致塑性效应和力学性能的影响规律。结果表明:在试验研究范围内,脉冲电流的占空比主要影响材料的温度变化,脉冲电流密度对TC4钛合金的电致塑性起主导地位,脉冲电流作用下的TC4钛合金材料抗拉强度大幅下降,塑性提高。基于Johnson-Cook模型和Arrhenius方程建立了耦合温度和脉冲电流密度的TC4钛合金电致塑性本构方程,并进行了验证。

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果在相同的∆K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lgC呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。

TC4低压微弧铣削接触等效面积法加工特性研究

以钛合金Ti-6Al-4V(TC4)为研究对象,建立工艺特征参数(铣削深度、铣削宽度、电极直径)与铣削面积的数学模型,揭示了各特征参数与铣削面积的数学关系.开展电弧铣削实验,研究铣削面积对加工电流、加工质量和加工效率的影响.结果表明:特征参数的变化影响了材料蚀除速率,致使电弧放电能量发生变化,进而影响热影响层和重铸层的厚度;平均峰值电流、表面粗糙度和热影响层厚度与铣削面积呈正相关,而允许的最大进给速度与铣削面积呈负相关;直流电压20 V、铣削深度3 mm、铣削宽度2 mm、主轴转速1 000 r/min时,表面质量最佳,表面粗糙度29.31μm,热影响层厚88.24μm,材料去除率最大为4 996.2 mm^(3)/min.通过铣削面积的分析有助于后续电弧铣削加工工艺调控和优化.

TC4-DT钛合金切削加工参数研究

针对YG8和TiAlN涂层硬质合金两种刀具,通过单因素车削、低速铣削及正交高速铣削加工试验,探究刀具切削工艺参数对TC4-DT钛合金加工件表面粗糙度、表层硬度的影响规律。实验结果表明:钛合金的表面粗糙度随着切削三要素发生变化,切削速度越高,粗糙度越低;进给量越大,粗糙度越大;但随切削深度波动变化。使用TiAlN涂层硬质合金立铣刀进行加工得到的平均表面粗糙度小于YG8硬质合金立铣刀,且加工表面硬度变化更小,更适合用于TC4-DT的铣削加工。

TC4钛合金侧铣加工表面形貌分析及工艺参数优化

TC4钛合金是1种典型的不易加工材料,其切削加工表面质量很难控制。为实现面向侧铣加工表面形貌的切削工艺参数优选,开展了TC4钛合金侧铣加工实验研究。首先,探究了加工表面微观缺陷特征及其形成机制;然后,采用粗糙度参数R_(a)和S_(a)对铣削表面形貌进行定量表征,并分析了切削速度、进给量和切削深度对表面粗糙度参数的影响;最后,基于遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)对铣削工艺参数进行了优化。研究发现,加工表面微观缺陷主要有进给刀痕等固有缺陷和黏附颗粒等随机缺陷。铣削表面粗糙度随主轴转速的增大先减小后增大;随径向切深的增大先增大后减小;随进给量先增大后减小。在主轴转速n=1093r/min、径向切深a_(e)=0.2mm、每转进给量f=0.06mm/r的条件下可以获得较小的表面粗糙度。

Nd(NO_(3))_(3)添加剂对TC4基材PEO涂层显微硬度和耐磨性的影响

针对TC4耐磨性弱的问题,利用等离子体电解氧化技术在TC4合金表面引入陶瓷涂层。在Na_(2)SiO_(3)-NaOH体系电解液中添加稀土盐Nd(NO_(3))_(3),研究Nd(NO_(3))_(3)添加量变化对TC4表面改性涂层的物相组成、微观结构、表面粗糙度、显微硬度、摩擦因数等性能的影响作用。结果表明:当未添加和少量添加Nd(NO_(3))_(3)时,PEO涂层表面较为完整。当电解液中Nd(NO_(3))_(3)添加量超过4.5 g/L时,PEO涂层表面开始出现腐蚀坑。所有试样的PEO陶瓷涂层相组成基本相同,主要由锐钛矿型R-TiO_(2)和金红石型A-TiO_(2)组成。与未添加Nd(NO_(3))_(3)试样相比,增加Nd(NO_(3))_(3)添加量导致涂层中锐钛矿相TiO_(2)和金红石相TiO_(2)衍射峰略有增强,这说明Nd^(3+)能够促进涂层中锐钛矿相TiO_(2)和金红石相TiO_(2)的生成量。电解液中Nd(NO_(3))_(3)添加量为3.0 g/L时获得的涂层粗糙度最小值,其显微硬度达到最大值。试样的PEO涂层摩擦因数曲线较为平直,摩擦因数在0.8~0.9,当添加Nd(NO_(3))_(3)高于3 g/L时,摩擦初期处于不稳定状态。

基于TC4/Ni杜瓦冷指焊缝微观组织及接头结构的研究

针对微型节流制冷型红外焦平面探测器杜瓦冷指,选取TC4/Ni的钎焊形式,从钎焊方法和钎料类型的焊缝微观组织以及接头结构设计的可靠性等方面对TC4/Ni的钎焊工艺进行了研究。结果表明,结合应力、形变和降温时间仿真以及防锈蚀分析结果,研究TC4/Ni冷指端面结构钎焊工艺具有一定工程实用意义;并通过正交试验确定了高温真空钎焊+AgCu28钎料组合的较佳工艺方案,满足对控制元素偏析和减少焊接脆性相生成的目的;同时综合考虑钎透率、充耐压试验及剪切强度测试的结果,确定锥形焊缝为较佳焊接结构。

基于多角度下TC4钛合金表面多颗粒动态冲蚀仿真研究

为了准确地预测TC4钛合金材料固体颗粒冲蚀的损伤过程,采用显式动力学有限元分析手段,建立了一个弹塑性有限元模型来模拟三维结构中多颗粒模型的动态冲蚀过程,并结合了Johnson-Cook材料模型和应变累积失效模型。结果表明:最大塑性变形发生在第一次碰撞时,且随着碰撞次数的增加而减小。冲蚀角度和速度显著影响颗粒和靶材表面之间的接触时间,动能损失随着冲蚀速度和角度的增加而增加。在低冲蚀角下,动态冲蚀过程中切向接触力和法向接触力有多个极大值和极小值,冲蚀机理主要是塑性变形和切向剪切。在高冲蚀角下,球形颗粒能很好地模拟冲蚀过程中对材料的剪切和挤压作用。从微观机制上解释了入射角度和入射速度对多颗粒连续冲蚀行为的影响,明确了冲蚀坑的动态冲蚀机理和几何演化规律。

TC4钛合金表面激光熔覆Ti-Al涂层研究

钛合金具有密度低、比强度高和耐腐蚀性强等优异性能,因而被广泛应用于航空航天中,钛合金使用占比成为衡量航空航天设备是否先进的标准之一。由于该合金硬度低、耐磨性差,因此微动磨损成为钛合金零件失效的重要原因之一。为了提高钛合金的抗微动磨损性能,采用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备涂层。实验结果表明,激光熔覆Ti-Al粉末能改善TC4钛合金硬度和耐磨性能。

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。

大厚度TC4钛合金激光增材连接过程分区组织调控

针对大厚度钛合金构件激光增材连接过程中热累积效应导致的组织粗化及性能劣化问题,本文开展了微观组织分区调控研究,分析了厚板不同位置的晶粒尺寸与析出相形态随着激光功率与扫描速率的变化规律,形成了激光增材连接件分区组织调控方法。结果表明:通过改变激光功率来调控组织形态的参数灵敏度较高,针对激光增材连接过程热累积效应导致的组织粗化问题,需改变激光扫描速率来调控试样中上部及顶部的组织形态。当激光有效能量为5.46×10^(5) J时,增材连接试样的抗拉强度高达915 MPa左右,同时断口韧窝尺寸较大,材料塑韧性较优异。因此,在激光增材连接过程中进行分区组织调控,可实现连接件整体力学性能的显著提升。

TC4钛合金低温拉伸行为与本构建模

在20、10、0、-10、-20、-30和-40℃温度下开展了TC4钛合金拉伸行为的试验研究,分析了温度变化对材料力学性能的影响规律,构建了Johnson-Cook和Modified Zerilli-Armstrong本构模型,预测了TC4钛合金的动态本构关系,并将TC4钛合金塑性阶段的本构模型代入ABAQUS软件进行拉伸有限元模拟仿真分析。结果表明:TC4钛合金在试验温度区间内具有一定敏感性。随着温度的下降,TC4钛合金的弹性变形能力变化不大,塑性变形能力、抗拉强度和屈服强度逐渐提高,而最大伸长率先增大后减小,0℃时最大,-40℃时最小;塑性阶段-40℃时材料的应力值最大,20℃最小;0℃时材料的断裂应变最大,-40℃最小。还发现Johnson-Cook本构的预测结果与试验值吻合更好;仿真与试验在塑性阶段和断裂阶段具有较好的吻合性,屈服强度、抗拉强度和伸长率的误差在5%以内。

飞行保护头盔用TC4护目镜支架的热处理研究

为解决头盔用TC4合金护目镜支架强度低的问题,对其进行真空热处理,用金相显微镜、扫描电子显微镜等研究真空热处理工艺对护目镜支架显微组织及性能的影响。结果表明:在真空度为1×10^(-3)Pa下,1000℃保温20 min后淬火,合金发生相变,平均尺寸为2.6μm的等轴α相转变为宽度约为870 nm的细小片层α相,并弥散分布于β基体中,β晶粒平均尺寸约为260μm。相对原始组织,经真空热处理后,合金屈服强度和抗弯强度分别从1596、1942 MPa提高到1806、2170 MPa,分别提升13%、12%,这是因为纳米片层α相弥散分布的强化效应,显著提升了合金的强度等力学性能。

TC4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究

目的改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损,提升钛合金零部件的使用寿命。方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法在TC4钛合金表面上制备Cr_(3)C_(2)-NiCr、Ni50和NiCr涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计等分析涂层的显微结构及力学性能,采用多功能摩擦磨损试验机及白光共焦三维形貌仪测试和分析不同涂层与TC4钛合金在干摩擦条件下的摩擦学性能。结果Ni50和NiCr涂层的硬度分别为680HV0.3和438HV0.3,低于Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层硬度1120HV0.3。在高载荷作用下,由于Ni50和NiCr涂层的硬度较低,导致其颗粒界面出现裂纹,断裂韧性测试表现低于Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层。3种涂层的摩擦系数及波动均大于TC4钛合金基材。Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层对TC4的切削和NiCr涂层对TC4的黏着导致了TC4对磨副的严重磨损。中等硬度的Ni50涂层对TC4的切削和黏着作用分别弱于Cr_(3)C_(2)-NiCr和NiCr涂层,TC4对磨副的磨损损失最低。结论采用超音速火焰喷涂技术制备Ni50涂层可以降低TC4钛合金基体和摩擦副的黏着磨损损失,本研究为钛合金表面耐磨涂层的设计和提高钛合金零部件间的摩擦性能提供了一种可行的方案。

基于正交试验的TC4钛合金激光焊工艺优化研究

目的探究激光功率、焊接速度、离焦量对TC4钛合金激光焊接接头宏观形貌、微观组织及力学性能的影响。方法通过正交试验方法,研究激光功率、焊接速度、离焦量对接头拉伸性能的影响,并将这3个工艺参数转换为热输入,进一步研究热输入对接头形貌、组织及力学性能的影响。结果当热输入低于95 J/mm时,焊接接头上下熔宽比较大,焊缝截面呈“V”形;当热输入高于250 J/mm时,接头组织晶粒粗大,甚至出现气孔、错边等冶金缺陷;当热输入为125 J/mm时,焊缝成形美观,焊接接头上下熔宽比接近1,焊缝截面呈“H”形。焊缝区组织主要由原始α相、β相及冷却阶段生成的αʹ相组成,随着热输入的增大,β相柱状晶尺寸逐渐粗化,αʹ针状马氏体相尺寸也相应增大。此外,焊接速度和离焦量对拉伸性能有显著影响,拉伸性能随着热输入的增大呈现先升高后降低的趋势,断口呈韧性断裂特征。当热输入为125 J/mm时,拉伸性能达到最佳,断裂位置发生在母材区,抗拉强度为1010 MPa,断后延伸率为9.82%;焊缝区中心区域显微硬度高于热影响区及母材区显微硬度。结论当热输入为125 J/mm时,在TC4钛合金激光焊下,可获得成形美观、性能优良的焊接接头。