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.

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。

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。

TC17钛合金激光熔覆熔池实时监测算法研究

航空发动机钛合金压气机叶片工作时,由于长时间高强度服役和异物损伤,叶片会发生变形、凹痕、磨损、裂纹甚至断裂。激光熔覆技术因其热影响区小、沉积性能好、成形精度和自动化程度高,已经成为叶片修复的重要方法之一。熔池几何特征是影响熔覆质量的关键因素,因此本文针对熔池实时监测,提出了一种基于图像处理的识别测量算法。首先,通过图像掩膜提取ROI区域,再对ROI区域进行伽马变换、阈值二值化实现熔池区域的分割;然后计算轮廓面积特征进行去噪;最后采用AABB包围盒对熔池的几何特征进行提取,实现了熔覆过程中熔池长宽的实时监测。最终通过多参数正交试验,验证算法平均识别误差为0.24 mm。

TC6钛合金激光喷丸纳米组织特性及热稳定性研究(英文)

应用Nd:YAG高功率激光器对TC6钛合金试样进行了激光喷丸,对部分强化试样623K真空保温10h。应用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、电子背散射电镜(EBSD)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等设备对试样强化层形貌和纳米组织进行检测,采用显微硬度计进行显微硬度测量。测试结果表明:TC6钛合金激光喷丸表面完整性好,未在表面引入微裂纹,表面粗糙度较传统表面强化低;激光喷丸后距离表面200μm范围内α相在冲击波作用下压缩伸长,α相和β相细化,保温后SEM测试显示强化层组织和强化层深度未发现明显变化;强化后衍射峰变宽,说明强化层发生剧烈塑性变形导致晶粒细化,并留有残余应变,未发现新的衍射峰说明强化过程中没有发生相变;强化后TC6钛合金表层产生纳米晶,保温后强化层位错密度降低,纳米晶晶界更加清晰,未发现纳米晶长大;激光喷丸硬度影响层达500μm,表面硬度提高12.2%,保温后表面显微硬度降低10HV0.5,硬化深度未发现变化。以上研究表明,TC6激光喷丸纳米组织和显微硬度在623K温度下具有较好的热稳定性,有利于提高钛合金的抗疲劳、抗磨损和抗应力腐蚀的性能,从而突破了美国规范AMS2546中关于钛合金只能在589K温度下应用的限制。

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。

TC17钛合金激光焊接接头微观组织和力学性能

文中对TC17钛合金进行了激光焊接,对接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度和拉伸性能进行了研究。结果表明,TC17母材的微观组织为β相+等轴初生α_(p)相,β相内存在大量次生α_(s)相;热影响区微观组织变化较为复杂,随着离焊缝距离的减小,α_(p)逐渐减少,β逐渐增多,α_(s)先消失、再产生、然后再次消失;焊缝由β相柱状晶组成,柱状晶内部是细长的枝晶,在焊缝的中下部存在较多气孔;从母材到焊缝,硬度总体呈下降趋势;受α_(s)含量变化的影响,随着离焊缝距离的减小,热影响区显微硬度先降低、再升高、然后再次降低;由于焊缝硬度最低且存在气孔缺陷,接头拉伸断裂在焊缝。

熔炼工艺参数对TC6钛合金软偏析缺陷的影响

通过调整3种不同的一次熔炼和三次熔炼的电流、电压制备出φ640 mm的TC6钛合金铸锭,对比其化学成分的均匀性和低倍组织均匀性。研究了不同熔炼工艺参数对TC6钛合金软偏析缺陷的影响。结果表明,3种方法均可制备出化学成分均匀的φ640 mm的TC6钛合金铸锭;在一次熔炼中期持续降低熔炼电流和成品熔炼使用浅熔池熔炼的方式,可有效降低TC6钛合金中软偏析缺陷出现的概率;可使用调整熔炼参数的方式来降低熔炼输入功率,以此来减轻大规格铸锭宏观偏析。

TC4钛合金激光自熔焊焊接组织及性能

【目的】该文旨在研究焊接接头各个区域的组织特征、显微硬度及力学性能,以实现钛合金高效高质量焊接。【方法】以3 mm厚TC4钛合金为试验材料,采用YAG激光焊接方法进行了对接试验。【结果】结果表明,激光焊接TC4钛合金能够获得了成形良好的焊接接头,无裂纹及气孔等缺陷。焊缝组织为典型的网篮组织,由大量的αʹ马氏体相和少量的高温残留β相构成,热影响区为交错排布的针状αʹ马氏体。焊接接头的显微硬度呈驼峰分布,从母材到热影响区逐渐增加,焊缝内部区域的平均硬度约为385 HV,均大于母材(约为360 HV),这是由于在热循环作用下,焊缝凝固时发生了马氏体转变,β相向针状αʹ相转变所致。焊接接头断裂位置位于母材区域,断口形貌均呈现大小不一的等轴性韧窝形貌,为韧性断裂模式。弯曲测试和冲击测试表明,焊接接头具有良好的塑性和韧性。【结论】综上可知,激光焊接TC4钛合金能够获得良好的焊缝成形,可在相关工程中推广应用。

TC6钛合金微观组织演变规律及热处理工艺优化研究

通过金相显微镜观察和分析不同变形温度下TC6合金的微观组织变化,并采用反向传播(Back Propagation,BP)算法进行热处理工艺优化。实验结果显示:高温和较大的应变速率会促使TC6合金中α相的尺寸增大和含量减少,并逐渐转变为β相。热处理工艺优化后的预测值与实际值的变化趋势相同,表明优化后的热处理工艺参数符合工艺需求。此次研究为钛合金TC6的制备和应用提供了理论依据和实际指导,有助于提高钛合金TC6的性能并优化加工工艺。

热处理对TC6钛合金力学性能的影响

为深入探究热处理对TC6钛合金力学性能的影响,采用多种热处理工艺对该合金试样进行处理。利用先进的WDW3100型电子万能试验机,对经过不同热处理的TC6钛合金试样进行全面的力学性能测试,包括抗塑性变形能力、抗压强度以及硬度等方面的评估。采用热处理工艺,观察和分析材料微观结构的变化,评价其力学性能的优劣,期望通过文章的研究,为其在实际工程中的应用奠定基础。研究项目的实施,将有力地促进设计、能源、材料、工艺与控制等领域的快速发展,为研究人员提供科学可靠的数据支持。

功率对TC4钛合金表面激光熔覆改性的影响

引言 钛合金具有比强度高、生物兼容性好且耐腐蚀性能强等优点[1,2],但是表面硬度和耐磨性欠佳是限制钛合金大量应用的主要问题[3,4]。改善钛合金表面性能对扩大钛合金的应用范围具有非常重要的意义。Kamat等[5,6]通过激光气体氮化提高钛合金表面硬度和耐磨性,提高了氮化层机械性能,但是氮化层非常容易产生裂纹,工艺可控性较差。柴琛等[7]研究钛表面微弧氧化膜层的磨损行为。

激光冲击TC4钛合金材料本构模型参数的修正方法

为了更准确地预测激光冲击强化TC4钛合金表层残余应力分布,通过试验和数值模拟相结合的方法对Johnson-cook(J-C)本构模型参数进行了修正。研究结果表明:修正后的J-C模型提高了激光冲击强化TC4钛合金表层残余应力的仿真精度。

TC4钛合金叶片双面同时激光斜冲击强化研究

为了提高航空发动机叶片抗外物损伤能力,采用双面同时激光斜冲击方式对叶片前缘进行强化处理,研究双面同时激光斜冲击强化对叶片表面粗糙度、显微硬度、残余应力和变形的影响。结果表明:激光冲击后,叶片表面粗糙度由Ra0.374μm增加到了Ra1.582μm;叶片表面显微硬度平均值增加了50%;叶片表面残余应力均为压应力,最大残余压应力为-354.3 MPa;叶片最大变形量位于叶背面靠近叶尖的位置,变形与双面同时激光斜冲击强化在叶片前缘引入的不均匀残余应力分布密切相关。

激光喷丸改善TC6钛合金组织和力学性能

为了使激光冲击强化技术能较好地应用于TC6钛合金的发动机叶片,对TC6钛合金进行试验研究。通过X射线衍射仪、透射电子显微镜等测试技术分析了不同参数下TC6钛合金的微观组织变化,用显微硬度计和残余应力测试仪分别表征表层硬度和残余应力变化,并测试材料冲击后的振动高周疲劳性能。试验结果表明:激光冲击材料后表面组织得到明显细化,随着冲击次数的增加,先后出现了高密度位错、位错胞、亚晶和纳米晶。性能方面,表面硬度在冲击一次即可提高19%,硬度影响深度达到700μm;与此同时表面残余应力最高达到-608.5MPa,在500μm深度上仍具有-100 MPa左右的应力存在。经三次冲击后,标准疲劳试片的疲劳极限提高近20%。

激光喷丸强化TC6钛合金的振动疲劳寿命及断口形貌分析

为了研究TC6钛合金激光喷丸强化(Laser Shocking Peening,LSP)处理后对振动疲劳寿命的影响,采用不同喷丸次数的方法对TC6钛合金进行LSP处理,采用振动疲劳测试系统对振动试样进行振动疲劳测试,用X射线衍射仪和显微硬度计测试LSP前后试样的残余应力和硬度,研究LSP对TC6钛合金振动疲劳性能的影响,使用透射电子显微镜(TEM)观察LSP后的微观组织变化,最后采用扫描电子显微镜(SEM)对试样的振动疲劳断口进行观察,研究LSP对TC6钛合金振动疲劳断口形貌的影响。结果表明,LSP后TC6钛合金发生强烈塑性变形,产生大量的位错,能够抑制TC6钛合金试样中疲劳裂纹的萌生和扩展,改善材料的力学性能,从而有效地提高TC6钛合金试样的振动疲劳寿命。

TC6钛合金板激光焊接残余应力分布规律研究

激光焊接是TC6钛合金板常用连接方式,其具有焊接能量密度集中及瞬时温度高等特点,致使其在焊后引入了数值较大的焊接残余应力。为了探究TC6钛合金板激光焊后残余应力的分布规律,文章制作了20mm厚TC6钛合金板对接焊试板,并采用钻孔法测试了其残余应力分布,同时基于ABAQUS有限元软件,分别采用瞬时热源和锥形高斯热源对其整个焊接过程进行了模拟。对比表明模拟结果与实测结果吻合较好,验证了有限元模拟的合理性。纵向残余应力在近焊缝区应力梯度较大,峰值应力出现在焊缝附近,且随着距焊缝距离的增加,残余应力的大小逐渐降低;横向残余应力分布趋势与纵向残余应力比较类似,但在焊缝区会出现高值压应力;Mises应力在焊缝两侧呈对称分布。

选区激光熔化成形工艺对多孔TC4钛合金显微组织的影响

采用Rhino软件构建了泰森多边形不规则多孔结构,利用选区激光熔化(SLM)技术成形多孔TC4钛合金,研究了激光功率(180,200,220 W)、扫描速度(1200,1600,2000 mm·s^(-1))、扫描间距(80,100,120μm)对其显微组织的影响。结果表明:随着激光功率的增大、扫描速度的减小或扫描间距的增大,SLM成形多孔TC4钛合金实体部分的微观孔洞缺陷数量和尺寸减小,相对密度提高,扫描速度是影响缺陷生成的主要原因;在激光功率220 W、扫描速度1200 mm·s^(-1)、扫描间距120μm条件下钛合金具有最少的微观孔洞缺陷,其相对密度可达99.2%。靠近多孔结构孔隙部分的截面存在等轴晶和平行于基板表面的柱状晶,而远离孔隙部分的组织主要由β柱状晶组成,柱状晶内部为与其长轴成±45°且平行排列的初生针状马氏体;随着激光功率的减小、扫描速度的增大或扫描间距的减小,柱状晶的宽度和初生马氏体的长度均减小,扫描间距对显微组织的影响更大。