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钛合金表面激光熔覆Ti-Mo-Al-B复合涂层的组织及摩擦磨损性能

为了改善TC4合金的表面耐磨性能,采用激光熔覆技术在TC4合金表面制备出Ti-Mo-Al-B复合涂层。分析了涂层的物相组成及微观组织结构,揭示了复合涂层的合成机理,结合其组织特征分析了涂层的硬度分布,并分析了不同载荷下涂层的摩擦磨损性能。结果表明,复合涂层与基体之间形成了良好的冶金结合,复合涂层主要由BCC固溶体基体相、短杆状和颗粒状TiB增强相以及少量α-Ti相组成。涂层的平均硬度为648.69HV,较基体TC4合金(330HV)提升了1.97倍。涂层的磨痕表面平整且犁沟较少,在载荷为30 N时,磨损量相较TC4基体减少了11%,其磨损机制为磨粒磨损。

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%。

Cu/V复合中间层对TC4/IN718激光焊接接头组织及性能的影响

为了实现TC4钬合金与GH4169镍基高温合金的有效连接.采用Cu/V复合中间层对TC4和IN718合金进行连续激光焊接,并分析添加中间层对接头裂纹、组织及力学性能的影响机制.结果表明,常规激光焊接时,TC4/IN718接头焊缝区产生大量Ti-Ni脆性金属间化合物,导致接头形成大量纵向裂纹,焊缝组织为Ti(s,s)+Ti_(2)Ni+Ti-Cr+NiTi+Ni_(3)Ti+Cr(s,s).当采用Cu/V复合中间层后,实现了TC4与IN718合金的有效连接,接头抗拉强度达到271MPa,焊缝组织转变为Ti(s,s)+V(s,s)+NiV_(3)+Cr(s,s)+Cu(s,s)+未熔铜。

PCD刀具超声振动辅助铣削TC4钛合金仿真与试验

TC4钛合金是典型的难加工材料,为解决其导热性差对铣削加工性能的影响,文章提出超声振动辅助铣削加工工艺,以提高其铣削质量。通过Abaqus建立PCD铣刀及TC4钛合金工件的仿真模型,分析超声振动对PCD铣刀切削刃温度的影响;采用单因素法设计超声振动铣削试验,研究不同超声振幅与刀具前角对PCD铣刀切削刃温度、铣削力及工件表面粗糙度的影响;并将试验结果与仿真结果进行对比,验证仿真模型的可靠性。结果表明,超声辅助铣削可大幅降低切削刃温度和铣削力,还可有效降低工件表面的粗糙度。相较普通铣削,超声铣削的切削刃平均温度由421.5℃下降到241.9℃,降幅为42.6%;铣削力由104.65 N下降到87.05 N,降幅为16.8%;工件表面粗糙度均值由0.316μm下降到0.228μm,降幅为27.8%。超声振幅较铣刀前角对表面粗糙度的影响更明显,且仿真结果和试验结果基本一致,其平均误差为4.6%。

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。

表面超声滚压处理对TC4钛合金表面粗糙度的影响

为提高TC4钛合金叶片性能,对其进行表面超声滚压处理,分析了主轴转速、进给速度、静压力、滚压次数四个因素对表面粗糙度的影响,并通过正交试验优化参数。结果表明,主轴转速、进给速度对表面粗糙度的影响显著,通过水平分析,筛选出最优方案为主轴转速400 r/min、进给速度0.1 mm/r、静载荷490 N、滚压次数3次。表面超声滚压是一种有效的TC4钛合金表面质量提升工艺,筛选的最佳工艺方案可将表面粗糙度由Ra0.8μm降低至Ra0.079μm,摩擦系数降为一半,耐磨性显著提升,证明该工艺方案在TC4钛合金叶片使用寿命提高方面具有一定的参考意义。

TC4钛合金样品硬度对激光诱导等离子体温度的影响研究

钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优良特性,目前已被广泛应用于压气机盘和叶片制造等航空制造领域。然而,钛合金材料的硬度较低,在服役过程中极易出现摩擦损耗等问题,从而降低部件的使用寿命。因此,原位、实时的硬度监测对钛合金部件在使用过程中的性能评估具有重要意义。本工作利用激光诱导击穿光谱(LIBS)对TC4钛合金样品热处理后的不同硬度进行了表征。实验结果发现,随着样品硬度增大,材料的激光诱导等离子体温度呈上升趋势,表明激光诱导等离子体温度可以作为金属硬度的重要表征参数。研究还进一步探究了材料硬度变化对等离子体温度影响的内在机理。

添加稀土元素的TC4钛合金激光焊接头纵向超塑性能研究

针对钛合金激光焊接接头超塑性能低的难题,提出在焊缝中以Yb_(2)O_(3)的方式添加稀土Yb元素,分析Yb_(2)O_(3)含量对TC4钛合金激光焊接头高温拉伸峰值流变应力、断后伸长率及组织的影响.结果表明,Yb_(2)O_(3)能够促进变形过程的组织等轴化进程,减小焊缝β晶粒尺寸和接头超塑性变形流变应力,并提高断后伸长率.随着Yb_(2)O_(3)含量增加,接头应力应变曲线下移,峰值流变应力呈先降低后升高的趋势,而断后伸长率则为先增大后减小.在超塑性变形过程中,Yb_(2)O_(3)含量6%时峰值流变应力最低为11.9 MPa,断后伸长率为572.3%;焊缝中心β晶粒尺寸最小为127μm,相较于未添加Yb_(2)O_(3)时β晶粒尺寸的337μm细化了62.3%.此时,马氏体组织发生相变,形态转变成片层,焊缝区域组织等轴化程度最高,焊缝的超塑性能最好.

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钛合金铣削温度参数自适应控制方法研究

传统的钛合金铣削温度参数PID控制方法无法实时反馈钛合金铣削过程中的温度变化情况,影响实际的铣削温度控制,降低钛合金铣削加工精度。对此,设计一种TC4钛合金铣削温度参数自适应控制方法,在铣削过程中建立TC4钛合金温度热模型,分析钛合金热产生区域,计算TC4钛合金不同变形区产生的能量,得到TC4钛合金铣削速度与温度之间的变化模型。基于热焓修正复合神经网络,在自适应温度控制中赋值系统参数以减少控制振动,得到铣削温度参数自适应控制框图,制定自适应模糊逼近调节规则对照表,完成TC4钛合金铣削温度参数自适应控制方法的研究。结果表明,与传统控制方法相比,设计的方法抗干扰能力更好,响应速度较快,跟随误差更小,即鲁棒性更强。

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钛合金的力学性能分析和本构模型的构建

构建TC4钛合金本构模型,可以更精确地描述和预测TC4钛合金的力学行为,为其生产应用提供更加准确、可靠的理论依据。文章通过高温压缩实验,得到TC4钛合金流动应力与应变、应变速率以及温度之间的关系,并建立了初始的Johnson-Cook(JC)本构模型。根据应变量、变形温度、应变速率之间的相互联系,修正了本构模型并拟合数据;比较了拟合、实验结果,并借助误差用相关系数R定量评价不同本构模型对流动应力预测的准确性。结果表明:最终构建的钛合金本构模型的预测值误差相关系数R值可达到0.999,比原始的JC模型能更准确地预测材料的力学行为。

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。

电压和脉间对钛合金TC4电火花加工影响的研究

【目的】探讨不同工艺参数对钛合金TC4电火花加工时蚀除速率、表面质量的影响,找到合适的电压、电流、脉间等工艺参数。【方法】基于电火花加工原理,进行两阶段实验,在数控电火花成型机(KMZ-435)上分别采用不同的电压、电流、脉间等工艺参数对钛合金TC4实验块进行加工,统计加工时间,计算蚀除速率,并对比了加工件的表面粗糙度。【结论】峰值电压在150 V,间隙在40 μm~50 μm时,蚀除速率、加工稳定性及表面质量都在最优状态。【结论】电火花加工是目前应用最广的钛合金TC4加工方法,本研究对钛合金TC4电火花实际加工及成本控制有重要的现实意义。

TiN涂层对TC4合金高温抗氧化性能的影响

利用真空离子镀技术在TC4钛合金表面制备了TiN涂层,研究其高温抗氧化性能。实验结果表明:随着氧化温度升高和时间延长,TC4基材和涂层试样氧化程度均增加,在700℃保温130 h以内TiN涂层表现出优异的高温抗氧化能力。对于TC4基材,在700℃保温10 h已出现明显氧化色。TC4基材及涂层试样在700℃×200 h氧化层主要由TiO_(2)相和Al_(2)O_(3)相组成。TiN涂层在700℃保温130 h以内对钛合金具有较好的高温防护作用。

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。