油气钻采用低成本近α钛合金力学与腐蚀性能研究

设计了一种强度和塑性匹配性高的低成本新型近α合金Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.1B,分别通过金相显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验和电化学工作站研究了铸态和锻态合金的组织结构、力学和电化学腐蚀性能。结果表明:铸态合金微观组织由片层状α和晶间β相组成,屈服强度为711 MPa,抗拉强度为882 MPa,延伸率为7.8%,塑性相对较差,断裂方式为混合型断裂。锻造后合金组织中α相呈现为短棒状,屈服强度和抗拉强度分别提高到911 MPa和966 MPa,延伸率达到16.4%,相较于铸态上升了两倍。电化学试验结果表明:两种状态合金的极化曲线趋势相同,锻态自腐蚀电位高于铸态,阻抗复平面图和阻抗谱数据均显示锻造后合金极化电阻升高,因此相比于铸态合金,锻态试样在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电位和阻抗值提高,腐蚀倾向小,耐腐蚀性能更好。

热变形温度和预变形对(TiB+Y_(2)O_(3))/近α钛基复合材料硅化物析出行为的影响

基于热压缩试验,研究变形温度和预变形对(TiB+Y_(2)O_(3))双增强相近α钛基复合材料显微组织演变的影响。结果表明:热变形时析出的硅化物的尺寸随变形温度的升高而增大,但其析出数量呈先增加后减少的趋势。预变形使硅化物的析出位置由α/β界面或β块扩散到整个基体组织。动态再结晶是复合材料晶粒细化的主要原因,由预变形引入的位错加速连续动态再结晶的进程。在变形时,位错在断裂的TiBw和富集的Y2O3增强相周围大量增殖和聚集,推动局部晶粒的细化。不同于TiBw和Y2O3对晶粒细化的影响,根据其分布位置的不同,纳米硅化物分别通过钉扎晶界和阻碍位错运动促进α晶粒的动态再结晶。

α钛合金在室温和低温的冲击韧性

为了考察Al,Sn,Zr,Mo合金元素对α钛合金在室温和77K低温(液氮)下的缺口冲击韧性(冲击值Ak)的影响,采用示波冲击试验机测试了Ti-2Al,Ti-2Sn,Ti-2Zr和Ti-1Mo4种α`钛合金在室温和77K下的Ak值,并计算了表征其冲击韧性的弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展撕裂功。用扫描电镜观察了4种合金冲击试样断口的形貌。计算数据和显微组织表明,4种合金均显示韧性特征,4种合金元素对冲击韧性贡献的顺序为:Mo>Zr>Sn>Al。

一种近α钛合金间隙元素含量和冲击性能关系分析

采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等手段研究了间隙元素含量对一种新型Ti_Zr_Mo_Nb_Sn系近α钛合金室低温冲击性能的影响.结果表明,温度降低,合金冲击值随之降低;间隙元素含量越低,合金的冲击韧性越好,且其对合金低温冲击性能的影响明显强于室温.间隙元素原子固溶到合金中引起点阵畸变会抑制低温下孪生.77K时氧当量为0.15%的试样冲击应变组织变形程度较大且有不同方向存在交互作用的孪晶产生.氧当量0.23%的试样组织变形程度较小,且组织中的孪晶也较少,与低氧当量试样相比,变形孪晶的生长受到限制,孪晶更加细长.为保证合金在超低温下的冲击韧性,必须控制合金中间隙杂质的含量为超低间隙级(ELI).

激光冲击强化近α钛合金的热稳定性

采用激光冲击强化工艺对近α型Ti834高温合金进行了表面处理,研究了激光冲击前后合金在600℃×100h的热稳定性和微观组织特征,并采用扫描电镜法分析了合金在不同状态下的拉伸断口特征。结果表明,合金经毛坯热暴露后,强度略有提高,而塑性变化不大;而经试样热暴露后,合金强度略有降低,塑性降低幅度较大。激光冲击处理使试样热暴露后的合金强度提高,而塑性进一步降低。在激光冲击处理过程中,合金表面晶体缺陷的形成是导致合金塑性进一步降低的主要原因。

显微组织对近α钛合金BT-20疲劳裂纹扩展的影响

通过显微镜及电子背散射衍射试验对近α钛合金BT-20的篮网、双态和魏氏组织微观结构及晶粒尺寸进行测定,并采用拉伸与疲劳裂纹扩展试验进行力学性能以及裂纹扩展研究,讨论微观组织对裂纹扩展速率、路径和断口形貌的影响.结果表明,双态组织的强度和延伸率最好,魏氏组织最差;双态组织的断口为解理断裂,裂纹碰到大尺寸初生α晶粒时发生穿晶失效,形态呈直线状,从而具有较高的扩展速率;篮网和魏氏组织的断口形式为沿相界断裂,裂纹扩展路径在通过α晶粒集束边界时改变方向,路径呈曲线状,扩展速率相对较低,从而具有较好的耐裂纹性能.

α钛合金(Ti-Al-Zr)在360℃水,400℃蒸汽条件下的静水腐蚀行为

研究了α钛合金 (Ti- Al- Zr)在 36 0℃ ,18.6 MPa水和 40 0℃ ,10 .3MPa水蒸汽中的静水腐蚀行为 ,腐蚀时间累计分别达到 2 2 1d和 2 13d.利用扫描电镜和 X-射线衍射技术观察并分析了α钛合金氧化膜的形貌及物相组成 .结果表明 :α钛合金在高压水和蒸汽中的腐蚀动力学曲线上均出现了三个阶段 .在腐蚀的第一阶段 ,腐蚀增重随腐蚀时间增加而缓慢增加 ;在第二阶段 ,腐蚀增重突然增大 ;到第三阶段 ,腐蚀增重变化不大 .α钛合金的氧化膜主要由两种不同的 Ti O2 组成 :金红石和锐钛矿 .随着腐蚀时间的延长 ,氧化膜中锐钛矿的相对含量逐渐增加 .

亚共晶TiBw含量对近α钛合金组织性能的影响

系统研究亚共晶TiBw含量对近α高温钛合金微观组织和力学性能的影响规律。通过非自耗电弧熔炼制备不同体积分数的亚共晶TiBw增强近α高温钛合金基复合材料,并对其进行微观组织和压缩性能测试。结果表明:当TiBw体积分数较低(<2.5vol.%)时,TiBw易于在晶界富集,显著细化基体的原始β晶粒尺寸;当体积分数达到5vol.%及以上时,TiBw在复合材料基体中分布较为均匀。另外,随着TiBw含量的增加,复合材料的屈服强度和抗压强度均显著提高,但压缩塑性显著降低。由此可见亚共晶TiBw可显著细化基体组织并且改善基体合金的力学性能。

激光选区熔化近α钛合金开裂机理及抑制研究

研究了近α钛合金激光选区熔化(SLM)成形开裂机理及抑制工艺,利用扫描电子显微镜等研究了试件裂纹形貌及其扩展方向、裂纹源等问题。研究结果表明:SLM成形过程中在试样侧壁形成凹凸不平的缺口及Ti3O、TiO、TiC等硬脆化合物;在残余应力作用下,裂纹起源于侧壁缺口,在沉积层上沿硬脆化合物扩展。当工艺参数为激光功率140W,扫描速度450mm/s,铺粉层厚0.03mm,扫描间距0.07mm,SLM成形温度350℃,保温1h缓冷至室温时,可有效抑制试件开裂。

Cr和Mn元素强化的α钛合金的制备及其组织性能

在前人已经优化评估的Ti-Al-Cr-Mn四元热力学数据库的基础上,设计了一种新型α钛合金Ti-6Al-3Cr-1Mn,并利用分瓣式水冷铜坩埚成功制得了该合金。该合金在770℃下经轧机轧制成6mm厚的板材,然后于750℃保温90min进行真空退火热处理,出炉后置于空气中冷却。通过组织观察,发现无论是铸锭还是退火后的板材,室温下均为α型钛合金,与设计相符。室温力学性能试验表明,Ti-6Al-3Cr-1Mn合金的力学性能良好,平均屈服强度为894.9MPa,抗拉强度为926.7MPa,断后延伸率为15.2%。Ti-6Al-3Cr-1Mn合金与典型的α型钛合金TA15相比,室温强度相当,但塑性更好,成本更低。Ti-6Al-3Cr-1Mn合金的自腐蚀电位为-0.21V,自腐蚀电流密度为7.7×10-7 A·cm-2,耐腐蚀性能良好。

化学沉积显示法在近α钛合金研究中的应用

在常规的水基腐蚀剂不能有效地显示一些近α钛合金的晶界时 ,应用化学沉积法可以真实、完整、清晰地显示它们的晶粒形态 ,并且能充分表现孪晶形貌。实验结果表明 ,两种化学沉积配方显示的金相组织在显微镜下可得到彩色金相图片 ,在黑白摄影的条件下同样可获得满意的效果。

α钛富氧层增厚动力学模型

为了实现在工业化生产中对α钛富氧层厚度预测和控制,通过实验研究α钛富氧层在高温空气环境中的形成及增厚过程,讨论热处理温度和时间的影响作用,建立高温(750~850℃)空气环境下关于温度、时间的富氧层增厚动力学模型。结果表明:当恒温热处理温度为750~850℃时,α钛富氧层厚度x与保温时间t0.5呈正比例关系,且升高热处理温度可显著提高富氧层增厚速度。在此温度范围内,氧原子的扩散激活能约为203473 J/mol,计算曲线与实验数据吻合性较好。结合文献中已有的扩散系数方程和实验测得的富氧层厚度数据,推导得到5个富氧层增厚动力学方程,其中3个方程的计算曲线与实验数据吻合性较好,可为实际生产中预估富氧层厚度提供理论支持。

热处理工艺对近α钛合金组织与性能的影响

研究了固溶和时效工艺参数对一种近α钛合金Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo显微组织与力学性能的影响.结果表明:在α+β两相区,随着固溶温度的升高,初生α相含量(体积分数,下同)减少,亚稳相含量增加,冷却过程中分解的针状马氏体α′相使合金的硬度升高;时效温度的变化通过影响α′相分解析出次生α相的尺寸、数量及分布方式影响合金的力学性能,合金经960℃固溶,500℃时效4 h后维氏硬度达到峰值374,屈服强度和抗拉强度分别达到874,982 MPa.

时效处理对近α钛合金中α2相析出的影响

对近α钛合金中α2有序相在时效处理过程中析出的现象、规律进行研究,揭示了时效温度、时效时间、时效方式对α2相析出生长的影响作用.研究结果表明,不同时效温度将影响α2相析出的分布特征并导致α2相生长速度差别以及影响α2相完全析出的时间.

双态组织近α钛合金锻件的织构和组织演变

近α钛合金铸坯通常含有许多宏观特征区域，比如与周围组织形貌有明显区别的较大区域微观织构，这些微观织构往往会影响材料的静态疲劳性能。

稀土在热强α钛合金中的作用

据原苏联《金相学与金属热处理》杂志最近指出,无论是在独联体国家和世界上其它一些国家,都把很大的注意力放在研究稀土对钛合金组织和性能的影响上;事实表明,稀土对钛合金的高温性能能够产生良好的作用:因为细化了晶粒、提高了(α+β)→β转变温度乃至户结晶温度、增大了热强性和改善了氧化薄膜保护性能。

α钛合金的热机械加工

α钛合金是一种较宽泛的分类，包括工业纯钛、α钛和近α钛合金。工业纯钛和含有Al和Sn等α稳定元素的α钛合金均为单一相，在常温下为密排六方晶体结构。由于“合金为单相组织，相对而言塑性较低，热稳定性较高。因此具有良好的蠕变性能和韧性。近α钛合金含有2％的β稳定元素，在显微组织中引入了少量的β相，与工业纯钛和α钛相比有较高的拉伸强度，而且在所有的钛合金中，在高于400℃的情况下蠕变抗力最高。

近α型高温钛合金长期时效过程中的组织演化行为

利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜研究了Ti600高温钛合金在550℃长期时效至2000 h过程中的微观组织演化行为与机理。结果表明:Ti600合金在550℃长期时效下稀土相较为稳定,但α_(2)相和硅化物S_(2)相析出并逐渐长大。0~500 h的时效初期,随时效时间的增加,与基体共格的球状α_(2)相的尺寸和数量增加,但当时效至500 h后,α_(2)相的析出与长大趋于稳定,时效至2000 h,α_(2)相的尺寸仍保持在10 nm以内。硅化物S_(2)相在α片层与β相界面或α相内析出,且当时效时间超过200 h后其长大逐渐明显,并且沿着长轴方向生长使其形状逐渐向棒状转变。时效至2000 h,合金中S_(2)相的平均尺寸已经达到约175 nm。经计算,550℃长期时效S_(2)相的长大速率K=2.69×10^(3) nm^(3)·h^(-1)。其中Zr的扩散主要控制S_(2)相的长大。