CALPHAD计算与纳米压痕测试相结合用于设计低模量近β钛合金

钛的弹性模量受β相稳定性的影响较大。具有低β相稳定性和无毒元素的亚稳定β或近β钛通常可以实现较低的弹性模量。本研究提出了一种高效的组成设计方法,结合CALPHAD计算和纳米压痕测试,以设计具有低模量的Ti-Nb-Zr-Sn-Ta合金。通过这种方法,开发了一种具有低模量、高强度和良好塑性(弹性模量为(58.3±2.0)GPa,抗拉强度为(813.3±7.2)MPa,伸长率为(25.3±2.1)%)的近β钛Ti-18Nb-8Zr-5Sn-2Ta。实验结果显示,传统的钼当量法高估了Sn和Zr对钛合金的β相稳定性的影响,而对于Ti-Nb-Zr-Sn-Ta合金,Nb和Ta能更有效地稳定β相。

冷轧及退火工艺对近β钛合金管材组织与力学性能的影响

研究了外径为φ10mm左右的近β钛合金管材冷轧及退火工艺。通过改变冷轧过程中的工艺参数,研究了加工变形量、减壁/减径比(Q值)对近β钛合金管材拉伸力学性能的影响。对冷轧加工管材进行680℃,1h,715℃,1h,750℃,1h,820℃,1h固溶处理后分别水淬(WQ)、空冷(AC)、炉冷(FC),研究了固溶温度、冷却速度对管材显微组织和拉伸力学性能的影响。结果表明:在小变形量下冷扎,管材塑性对形变硬化非常敏感,变形量大于35%后,马氏体转变使得合金塑性有所恢复,管材不适宜在Q值小于2的条件下加工。相变点以上固溶处理后管材屈强比不到0.6,固溶后空冷处理管材具有良好的强度和塑性匹配。

一种生物医用近β钛合金的力学性能和腐蚀性能研究

针对目前临床介入治疗中对血管内支架用材的要求,采用自主研制的新型近β医用钛合金TLE ,研究了该合金的力学性能和腐蚀性能。测试了合金的室温和高温拉伸力学性能,利用光学显微镜观察金相组织、扫描电子显微镜观察断口形貌。结果表明,与临床上使用的3 16L不锈钢、钛镍合金相比较,新型近β钛合金TLE具有与3 16L不锈钢相当的强度和良好的冷热成形能力。分析合金在Ringer′s生理盐液中的电化学腐蚀极化曲线发现:各种状态的TLE合金均具有比3 16L不锈钢、钛镍合金更好的耐腐蚀性能。

近β钛合金TLM表面处理后表面特性分析及对成骨细胞粘附的影响

采用微弧氧化(MAO)方法对近β钛合金Ti-5Zr-3Sn-5Mo-15Nb(TLM)表面进行处理,分析其表面特性变化,并观察成骨细胞在其表面的早期粘附。结果显示微弧氧化处理可以在TLM表面形成一层多孔生物活性氧化层,增大其表面粗糙度并提高其表面湿润性和表面能,该效应与微弧氧化电压有关。此外,电解液中的Ca和P可以被整合到表面氧化层中且其含量随微弧氧化电压升高而增加。体外细胞培养实验发现成骨细胞在微弧氧化表面的早期粘附明显高于抛光表面。

初始组织特征对Ti-55511近β钛合金热塑性变形行为的影响

在Gleeble—3500热模拟试验机上对初始组织分别为纯β、等轴α、粗针状α和细针状α的Ti-55511合金进行热压缩,研究合金在700~800℃变形温度、10-3~10-1 s-1应变速率下的塑性流变行为,以及初始组织特征对合金热塑性变形行为的影响。结果表明,不同初始组织合金的流变应力均随应变速率增大和变形温度降低而增大;合金变形难度大小顺序为纯β合金】粗针状α合金】细针状α合金】等轴α合金;合金热加工图失稳区主要在低变形温度和高应变速率区,且随着应变量的增加等轴α合金的失稳区面积逐渐减小,而其他三种组织合金的失稳区面积则呈先增大后减小的趋势。合金变形行为的差异与变形过程中β→α相变、针状α相的塑性失稳、α相破碎/球化程度、剪切变形和局部塑性流动等微观组织演变相关。

体心立方近β钛合金循环形变中的平面滑移行为

对单相体心立方近β钛合金在不同加载应力以及循环周次下进行压缩疲劳试验,对循环过程中的范性应变机制进行分析,通过研究滑移模式、显微组织演化等对早期微裂纹萌生的影响以及观察疲劳前后位错组态的演化,分析了循环形变特征与表面滑移模式之间的内在联系。结果表明:单相近β钛合金经纯压缩循环形变后出现出典型的平面滑移特征以及表面应力集中现象,循环形变后的位错湮灭、退孪晶和孪晶界结构简化造成的局部应力改变是导致应力集中滑移带出现以及平面滑移机制的重要因素。

C元素添加对近β钛合金显微组织及力学性能的影响

研究了在不同热处理条件下C元素的添加量对近β钛合金Ti-4Al-5Mo-8V-2.5Cr-1Sn-2Zr微观组织及力学性能的影响。结果表明:C元素添加对近β钛合金在不同热处理条件下的微观组织均有显著影响。C元素添加会导致β晶粒的细化,当C元素添加量由0%(体积分数,下同)增加到3%时,固溶处理后合金的β晶粒尺寸由137μm降低至25μm,且尺寸更加均匀。当C元素添加量持续增加时,β晶粒开始长大。经时效处理后,随着C元素添加量的增加,次生α相尺寸和体积分数均减小。相比于单级时效,双级时效呈现出更多的次生α相。此外,单级时效后晶界处的次生α相会随着C元素添加量的增加而逐渐消失。由于受晶粒细化、TiC颗粒和次生α相的影响,随着C元素添加量的增加,合金的显微硬度和拉伸强度明显提高,塑性降低。

近β钛合金高温压缩变形过程中流变软化行为研究进展

综述了近β钛合金高温压缩变形过程中流变软化行为的影响因素、流变软化机制及其分析方法以及基于流变软化机制的本构方程的发展,重点分析了变形工艺参数以及原始微观组织对流变软化行为的影响规律,此外,讨论了动态回复、动态再结晶、变形热等软化机制对软化现象的贡献,并提出了近β钛合金高温变形过程中关于流变软化现象亟待解决的问题,指出定量化及物理模型化是未来近β钛合金高温变形过程中流变软化现象的重要发展方向。

近β钛合金Ti-B19的等温转变

对Ti-B19近β钛合金等温转变的产物进行了金相组织观察和洛氏硬度分析.结果表明:α/β转变的"TTT"曲线"鼻温"在500-550℃.温度较高时,析出的α相数量少,尺寸大,呈透镜状;温度较低时,析出的α相数量多,尺寸小,为细小的片状或针状.等温时效温度越低,合金硬度越高.在"鼻温"附近时效,时效硬度由低到高在较短时间内变化大.

近β钛合金压缩变形行为研究

业稳态卢钛合金可以通过位错滑移形成孪晶及应力诱发马氏体相变来发生形变。当马氏体相变的温度低于室温时，β相可以被应力诱导转化为密排六方a’相或正交a”马氏体相，

不同相组成近β钛合金Ti-3Al-5Mo-4Nb-4Cr-2Zr的应力腐蚀行为

海洋工程用近β钛合金在海水中易发生应力腐蚀开裂,合金相组成对其应力腐蚀行为具有显著影响。本实验通过对近β合金Ti-3Al-5Mo-4Nb-4Cr-2Zr进行3种不同工艺的热处理,使合金具有不同的3种相组成,利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析显微组织,并进行电化学实验与慢应变速率拉伸实验,研究相组成不同时合金的应力腐蚀行为。结果表明,在β相区固溶处理后,合金为全β相组织(Pβ);500℃/6 h时效处理后,于β基体析出细小且间距较小次生α(αs)相(Pβ+fα);650℃/6 h时效处理后,于β基体析出了粗大且间距较大αs相(Pβ+cα)。Pβ+cα的自腐蚀电位相对最小、腐蚀电流密度相对最大、容抗弧仰角及0.01 Hz下阻抗模量相对最小,其耐腐蚀性相对最差,相对更优的依次为Pβ+fα和Pβ。应力腐蚀敏感性指数由高到低依次为Pβ+cα、Pβ+fα、Pβ。应力腐蚀断口表面出现韧窝、微裂纹、撕裂棱以及小平面,表明发生了高度位错运动和局部塑性变形。应力腐蚀开裂主要由氢吸附诱导位错发射(AIDE)和氢加速局部塑性变形(HELP)机制主导。αs相间距减小有利于降低合金应力腐蚀开裂倾向。

预时效热处理对新型近β医用Ti-10Mo-6Zr-4Sn-3Nb合金组织演变和力学性能的影响

研究了预时效对一种近β型Ti-10Mo-6Zr-4Sn-3Nb(Ti-B12)医用钛合金组织演变和力学性能的影响。结果表明,在325、425℃分别预时效0.5~8.0 h后,在β母相中均匀析出了大量的椭球状等温ω相。随着预时效温度的升高和时间的延长,ω相的尺寸逐渐增大,而密度则逐渐减小。基于等温ω过渡相辅助α相形核与细化作用,在较低的预时效温度和较短的时间下可获得密度更高、尺寸更细小且弥散分布的次生α相。此外,经预时效后,通过显著细化次生α相的尺寸和提高α相的析出密度,强度得到了明显提升,并获得了较好的塑性。然而,当将预时效时间增加至一定值时,强化效应变得不再明显。

近β型钛合金线性摩擦焊接头变形行为及组织演变的热物理模拟

为了更好地理解近β型钛合金线性摩擦焊(LFW)接头的界面连接行为,采用热压缩物理模拟的方法,以TB2近β型钛合金为研究材料,设计符合LFW工艺特点的帽形热压缩试样,在不同下压量、变形温度及应变速率条件下进行热压缩试验,研究热压缩接头的变形行为及组织演变。结果表明,热压缩过程中热压缩接头连接区(BZ)的峰值剪切应力随变形温度的降低及应变速率的增加而增大,接头BZ的宽度随变形温度和应变速率的增加而减小。接头BZ边缘由沿剪切方向变形的晶粒组成,接头BZ中心由细小的等轴再结晶晶粒组成。接头的动态再结晶机制为连续动态再结晶(CDRX),且CDRX的程度随下压量、变形温度及应变速率的增加而增大。此外,在界面剪切力的作用下接头BZ边缘形成{112}[111]织构,接头BZ中心形成{110}[001]织构。

TC18钛合金模锻件低倍组织分层机理及预测

TC18钛合金模锻件低倍组织显现出分层现象。通过热模拟试验,利用金相统计并结合微拉伸、SEM等手段,分析对比了近表层表现出的“冷模组织”及近中心层的网篮组织的显微特点及力学性能,探讨了经β锻造及热处理后TC18模锻件由表及里显现出的低倍组织分层机理,提出了低倍分层出现的工艺条件判据并建立了预测模型。结果表明:经单相区加热后,锻件表层变形温度降低(处于双相区)且变形程度小,这使得变形前粗大晶粒的破碎程度降低,难以形成网篮组织,而以“冷模组织”的特征存在,导致了明显的分层现象。特别是“冷模组织”对应的伸长率明显降低,难以达标。随着变形温度(t)的降低,获得网篮组织的临界应变量(εf)增大,根据热模拟试验的系统数据对εf与t之间的关系进行量化表达;以εf为判据,通过二次开发建立了有限元子程序,实现了锻件低倍组织分层的可视化预测。

新型近β钛合金Ti-7333的高温不连续屈服行为（英文）

对一种新型近β钛合金Ti-7333在温度为770～845℃，应变速率为10-3～1s-1条件下的高温不连续屈服行为进行了研究。结果表明：在试验温度范围内，当应变速率大于10-2S-1时，Ti-7333合金高温变形过程中会出现不连续屈服现象。该合金的不连续屈服幅度随着应变速率的减小和温度的升高而逐渐增大，而且屈服的幅度对应变速率较温度更为敏感。通过对不连续屈服现象的显微组织观察可知，这是由于随着应变的增大，在晶界处生成的可动位错在塑性变形中向晶粒内部扩展传播所导致，晶界是这些可动位错的位错源。不连续屈服现象与位错源局部位错攀移开动传播、晶界迁移以及（或者）合金元素固溶重排过程有关。

放电等离子烧结预合金粉末法制备生物医用近β钛合金的组织演变和力学性能（英文）

利用放电等离子烧结(SPS)预合金粉末的方法,成功制备出生物医用的近β钛合金Ti-25Nb-3Zr-3Mo-2Sn (质量分数,%)。近β钛合金的预合金粉末利用等离子旋转电极法制备,粉末的凝固组织主要是由β相主导的不发达的树枝晶组成,同时存在少量的β相单晶组织粉末球。1000℃-5 min-50 MPa条件下的SPS可以完全致密化近β钛合金的预合金粉末,并且消除原始的凝固偏析结构。β单相区固溶处理后,合金组织由β相和α″相组成,合金的抗拉伸强度达到815 MPa,延伸率达到14%,同时具备62 GPa较低的弹性模量。进一步500℃时效处理,合金组织中产生大量的纳米针状σ相,使得合金的抗拉伸强度达到1015 MPa,同时具备较好的延伸率和中等的弹性模量。然而,应当避免过低的时效处理温度,防止脆性ω相的析出。

Ti-5A1-5Mo-5V-3Cr-1Zr近β钛合金在不同α/β界面取向条件下的针状α亚结构形成与破碎行为

对初始针状α组织的Ti-5A1-5Mo-5V-3Cr-1Zr (Ti-55531)近β钛合金在750～775℃、10-3～10-1 s^(-1)下热压缩,研究针状α的微观破碎行为。结果表明,随着应变量的增加,针状α经历了旋转位移、部分破碎、完全破碎成等轴形貌的演变阶段。在针状α破碎过程中,当相邻α和β之间符合Burgers取向关系时,β基体内位错通过α/β界面滑移传递切入α内,形成高密度位错,并演化成亚晶结构。当不符合Burgers取向关系时,β基体位错容易在一些取向差异较大的α/β界面塞积、出现局部应力集中,导致在对应针状α内形成局部剪切带相关的亚结构。随后,β基体沿亚结构界面契入针状α内,最终导致针状α相分离破碎。提高温度会加剧β基体动态回复,位错密度大幅下降,不利于在针状α内形成亚结构;提高变形速率使得变形时间大幅缩短,针状α内形成高密度位错、进而转变成亚结构等微观过程无法充分进行,因此均会降低针状α的破碎程度。

SiC_p添加量对近β钛合金显微组织及力学性能的影响

通过真空非自耗熔炼工艺制备了不同SiC_p添加量(0%,0.1%,0.4%,1.0%,质量分数)的近β钛合金。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、维氏显微硬度计和万能材料试验机,系统研究了SiC_p添加量对近β钛合金显微组织及力学性能的影响规律。结果表明,不同SiC_p添加量的近β钛合金主要由α-Ti、β-Ti和TiC所组成。近β钛合金的初生β晶粒尺寸取决于SiC_p的添加量,SiC_p添加量由0%增加到1%时,近β钛合金初生β晶粒尺寸由639μm降低至323μm。由于受细晶强化、TiC承载强化以及Si的固溶强化的影响,随着SiC_p添加量的增加,近β钛合金的显微硬度、压缩强度有显著提高,而压缩率却明显降低。