面向高速切削的钛合金Ti-6Al-4V动态本构模型:综述

高速切削是实现钛合金等难加工材料高效、高质量加工的有效技术方法。钛合金高速切削加工过程具有高温、高应变和高应变率的热力强耦合非线性动态特征。为了准确描述高速切削时钛合金动态力学行为,对钛合金动态本构模型的研究进行综述。以钛合金Ti-6Al-4V为研究对象,从唯象模型和物理学模型的角度,分析了Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Bammann模型的适用条件及优缺点。经综合比较,选取Johnson-Cook模型开展进一步探究,并且基于温度影响和竞争机制影响对Johnson-Cook修正模型进行分类,Johnson-Cook修正模型的预测精度与经典模型的预测精度相比均有所提高;同时提出可将构建唯象-物理学复合本构模型作为探究钛合金动态本构模型的重点方向,采取实验与计算机同步方法得到本构模型参数的最优解,从而提高动态本构模型的预测精度。

变形链球菌对医用钛合金Ti-6Al-4V腐蚀行为研究

采用电化学法、扫描电镜法研究了钛合金Ti-6Al-4V在变形链球菌作用下的腐蚀性。将变形链球菌菌液接种至液体培养基中进行培养两天,然后把钛合金金属与培养基菌液一起共同培养,同时设置无菌组为对照组,同时进行电化学测试。腐蚀30天后,用扫描电镜观察。电化学实验结果显示,含有变形链球菌的自腐蚀腐蚀电位比无菌组低,腐蚀电流密度比无菌组大,扫描电镜结果显示,变形链球菌组的合金表面粗糙度更大。实验结果表明,变形链球菌能增加钛合金Ti-6Al-4V的腐蚀倾向和腐蚀速率。

无涂层硬质合金刀具车削钛合金Ti-6Al-4V实验研究

钛合金是航空航天工业中应用广泛的一种难加工材料。本文研究了无涂层硬质合金刀具干切削钛合金Ti-6Al-4V时切削力、表面粗糙度的变化规律,得到了切削深度、进给量、切削速度对切削力和表面粗糙度的影响规律。对切削力实验结果进行了回归分析得到了切削力的指数公式,并运用校正R^2拟合判定系数、累积概率图和残差图对回归模型进行了检验,检验结果表明:切削力的3个回归方程较好的拟合了实验所测的数据,钛合金切削过程中切削力近似满足指数关系。

高速铣削钛合金Ti-6Al-4V切屑形态试验研究

对高速铣削的切屑进行了微观组织研究,建立了切削要素、切屑形态、切削力、表面粗糙度等因素之间的关系。研究发现,切削速度越高,热量向外扩散的时间越少,聚集在剪切带内的热量越多,剪切带内发生动态再结晶的可能性也就越高,大量的热量促进了剪切带内的热塑性失稳,进而使绝热剪切带产生的频率大幅度提高,切屑的锯齿化程度也就随之加大;计算了不同切削条件下绝热剪切带中心的温度、热量扩散速度等,发现热量扩散速度远低于其变形速度,进而证明了高速切削钛合金Ti-6Al-4V时,绝热剪切带内发生了动态再结晶现象。考虑到再结晶软化效应对材料本构的影响情况,建立了改进J-C本构模型,该模型用两个表达式表述不同临界应变值区间范围的材料本构特征,理论计算证明了改进J-C本构比J-C本构更准确。

钛合金Ti-6Al-4V两种微观结构的裂纹扩展行为研究

介绍对两种均匀锻造的片晶结构的钛合金Ti 6Al 4V的疲劳裂纹扩展性能的研究情况。在材料准备时 ,注意避免材料的方向性等对性能的影响。采用标准试验方法进行各项力学性能试验 ,试验数据表明 ,两种片晶微观结构的钛合金的拉伸强度相差约 5 % ,拉伸塑性相差 13 % ,疲劳行为有较大不同 ,微观组织细密的钛合金材料的性能比较好。两种片晶的小裂纹扩展速率与长裂纹扩展速率相比有明显增加 ,但对于本研究的试验条件 ,在应力比R =0和R =-1的情况下 ,两种状态之间的裂纹扩展行为差别不大。试验数据说明 ,裂纹闭合是小裂纹效应的主要原因之一。

钛合金Ti-6Al-4V纵扭超声铣削残余应力试验研究

目的提出将纵扭超声振动和铣削加工相复合,对钛合金Ti-6Al-4V进行试验研究,探索工艺参数对加工残余应力的影响规律,实现钛合金的压应力抗疲劳制造。方法通过试验对比分析了纵扭超声铣削和传统铣削在切削力、切削温度和残余应力的差异性。采用正交试验和单因素试验相结合的方法,同时考虑因素交互作用,研究了加工参数、冷却润滑条件以及刀具磨损对加工残余应力的影响。结果相较于传统铣削,纵扭超声铣削能够使平均切削力降低约16.3%,切削温度降低约25.6%,表面残余压应力值增加31.3%。在所选参数范围内,径向切深对表面残余应力的影响较大(贡献率为34.1%),而振幅影响较小(贡献率为6.5%)。表面残余压应力值随着铣削速度、每齿进给量以及径向切深的增大有不同程度的降低,随着振幅的增大有一定程度的提高。采用乳化液作为切削液能够提高加工表面的残余压应力值,而干式切削能够获得和在水、油切削液条件下相当的加工表面残余压应力值。工件表面的残余压应力值随着刀具磨损的增加而逐渐减小。结论纵扭超声铣削能够有效降低切削力和切削温度,提高加工残余压应力值,同时选择适当的工艺参数及润滑冷却条件可进一步增大表面压应力值,可作为一种可靠的压应力制造技术。

钛合金Ti-6Al-4V的磨损失效及其表面耐磨处理技术

Ti-6Al-4V钛合金具有比强度高、耐腐蚀性强、高温力学性能稳定、生物相容性好等一系列优点,是使用最广泛的钛合金之一,但其耐磨性较差。本文分析了Ti-6Al-4V钛合金不同形式磨损失效的起因,对其常用的表面耐磨处理技术进行了评述。研究表明,采用表面工程技术如电镀、化学镀、热喷涂、化学热处理、气相沉积、离子注入、表面氧化处理、激光表面合金化等对其进行处理,是提高其耐磨性的有效手段。同时讨论了Ti-6Al-4V钛合金各种表面耐磨处理技术的特性和适应性,并指出了进一步研究的方向。

钛合金Ti-6Al-4V热变形中的动态再结晶研究

钛合金Ti-6Al-4V等温恒应变速率压缩试验采用Gleeble3800热加工模拟试验机进行,材料变形温度815～1100℃。结果表明,无论在琢＋茁相区还是茁相区,试验材料均有发生动态再结晶的可能性;对动态再结晶的影响因素进行了分析,利用上述结果建立了试验材料的Arrhenius方程及动态再结晶晶粒尺寸计算式。对不同条件下试验材料的组织形貌进行了研究,表明对材料发生动态再结晶影响最大的因素为变形温度。

干切钛合金Ti-6Al-4V时硬质合金刀具磨损行为研究

针对航空发动机典型零件钛合金膜盘在加工过程中刀具磨损严重、加工效率低的问题,采用硬质合金刀具进行钛合金外圆车削加工试验研究,利用带有能谱分析的扫描电镜观测,结合刀-屑接触面摩擦状态,分析刀具磨损形貌与刀具磨损机理;重点分析了刀具材料流失的具体过程,并给出了刀具材料从基体脱落的物理演变过程模型。结果表明:在切削过程中刀-屑接触面伴随着严重的粘结、扩散以及氧化现象,随着切削速度的提高,加速了这种现象的发生;所建立的演变模型能够很好地反映刀具材料的流失过程。

线间距对SLM成形钛合金Ti-6Al-4V力学性能的影响研究

目的探究选区激光熔化技术工艺参数线间距对钛合金Ti-6Al-4V增材试件力学性能的影响。方法通过SLM成形技术,以钛合金粉末为原材料、以线间距为变量制备增材成形试件,通过拉伸试验、断口形貌分析以及表面硬度测量获取不同线间距工艺参数条件下钛合金成形试件力学性能表现较好的较优解。结果不同线间距条件下成形试件拉伸曲线差异较大,线间距为0.05 mm和0.10 mm时,成形试件拉伸曲线表现较好,成形试件断口组织撕裂均具有连续性,韧窝结构明显,具有一定塑性。试件成形过程受氧化影响,其拉伸性能与硬度性能表现不一致。结论试验最终工艺参数如下:曝光时间为80μs、点间距为40μm、线间距为0.05 mm,SLM成形试件获得了较高的表面硬度,试件断口组织撕裂连续性较为明显,韧窝结构较大,断口界面缺陷较少,力学性能较优。

钛合金Ti-6Al-4V切削仿真温度分析

采用单一变量法,设置不同的切削速度和进给量,将三维切削过程合理转化为二维平面切削,来分析切削区温度场变化。从仿真云图和温度曲线图中得出随着切削速度的增加,车刀和切削层的挤压越强烈,产生的塑性功和切削热也就越多,使切削区温度不断升高,且增长趋势逐渐增大。随着进给量的增加,切削温度不断上升,相对于进给量,切削速度对温度影响更大,在实际生产中可以通过优先改变切削速度来控制切削区温度。

医用钛合金Ti-6Al-4V切削参数优化试验研究

以医用钛合金Ti-6Al-4V车削加工性为研究目的,以提高切削刀具的耐用度作为研究目标,在分析医用钛合金Ti-6Al-4V材料特性的基础上,从刀具材料、刀具几何参数、切削用量等方面进行了试验研究,实现了切削刀具的合理选用及切削用量的优化选择,为实现切削参数的在线优化奠定基础。

PCD刀具车削钛合金Ti-6Al-4V的研究

本文通过正交试验研究了PCD刀具车削钛合金Ti-6A l-4V时,动态切削力和表面粗糙度随切削用量的变化规律,并分别以Ra、Rz为指标进行了方差分析。试验结果表明:x向和y向动态切削力随切削用量的变化很小,而z向相对较大。动态切削力随进给量和切削深度的增加而增加,其中在切削深度为0.1 mm的情况下,切削力出现了较大的波动。进给量和切削深度均对Ra、Rz有显著影响,其中进给量对Ra影响较大,切削深度对Rz影响较大。

钛合金Ti-6Al-4V高压冷却车削过程有限元分析

随着钛合金的广泛应用,改善其切削加工性、提高加工表面完整性的试验研究也已得到广泛重视,但对该过程的仿真分析尚不成熟。通过Deform 3D仿真软件建立有限元仿真模型,模拟钛合金Ti-6Al-4V在干切削、普通冷却及高压冷却环境下的车削过程,研究切削环境对切削力、切削温度等加工过程量的影响,获取已加工工件距离加工表面不同深度的残余应力分布,分析高压冷却对钛合金Ti-6Al-4V加工表面残余应力的影响规律。通过钛合金Ti-6Al-4V车削试验测量切削力及刀具表面切削温度,并与有限元仿真模型对比,以验证其可靠性。仿真结果表明:随着切削液压强的增加,切削力增加,刀具表面切削温度降低,高压冷却可有效增强切削液的冷却作用。干切削时,已加工表面(d2=0)为残余拉应力;随着切削液压强的增加,已加工表面残余应力状态逐渐由残余拉应力向残余压应力转变,当切削液压强为200 bar时,已加工表面残余应力为残余压应力,且此时已加工表面残余压应力为最大值。随着测量深度的增加,残余应力值增大,在所有切削试验中,最大残余压应力值均在距离已加工表面相同距离。仿真结果与试验结果的对比证明了有限元仿真模型的可靠性,为钛合金Ti-6Al-4V高压冷却加工热力耦合分析和优化设计提供了理论依据。

高效精密电解铣磨加工钛合金Ti-6Al-4V试验研究

采用直径6 mm的平头磨轮,对Ti-6Al-4V钛合金进行电解铣磨加工试验研究。研究了Ti-6Al-4V在10%NaNO3溶液中的电化学特性,根据结果选择和优化电解铣磨加工试验参数,进行了沟槽粗、精加工试验,并对加工沟槽进行了检测,对结果进行分析讨论。

修整参数对钛合金Ti-6Al-4V微磨削影响的研究

基于修整参数和切削速度对钛合金Ti-6Al-4V微磨削的影响,采用较高的修整重叠比用于磨削过程中磨削销的修整。基于实验测量到的磨削销表面形貌建立与磨削力、表面粗糙度相关关系,法向磨削力和切向磨削力都随修整重叠比的增加而增加。并介绍了磨削刀具修整对表面质量的影响。相较于逆向修整,顺向修整能够获得较为粗糙的表面质量,并产生了较低的磨削力。当逆向修整过程中修整重叠比达到1830时,能够明显提高工件表面质量。

Ti-6Al-4V钛合金环保型阳极氧化及封闭处理研究

选用Ti-6Al-4V钛合金作为基体在环保型电解液中制备阳极氧化膜,然后分别浸没在沸水、氟锆酸铵溶液、乙酸钙溶液中对阳极氧化膜进行封闭处理。采用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪表征和分析未封闭及封闭处理后阳极氧化膜的微观形貌、化学成分与物相结构,并配制酸性氯化钠溶液作为腐蚀介质,研究未封闭及封闭处理后阳极氧化膜的耐腐蚀性能。结果表明:与未封闭阳极氧化膜相比,在沸水、氟锆酸铵溶液、乙酸钙溶液中封闭处理后阳极氧化膜中微孔数量减少,化学成分发生变化,耐腐蚀性能进一步提高,但封闭处理未影响阳极氧化膜的物相结构。在乙酸钙溶液中封闭过程中发生化学反应,生成水合二氧化钛、氢氧化钛、氢氧化钙和钛酸钙等多种产物,达到协同封闭效果,赋予封闭处理后阳极氧化膜良好的表面致密性,其耐腐蚀性能好于在沸水、氟锆酸铵溶液中封闭处理后阳极氧化膜,对钛合金的防护作用更强。

三重热处理对径向锻造Ti-6Al-4V钛合金组织和性能的影响

研究了几种三重热处理制度对径向锻造Ti-6Al-4V钛合金棒材组织和性能的影响。结果表明,在接近相变点进行三重热处理时,组织为网篮状组织;第一重热处理形成的网篮组织,经过两相区的二重固溶和三重时效后组织状态变化不大;随着固溶温度的增加,合金的强度逐渐上升,且距相变点越近,增加的幅度越大;伸长率和断面收缩率有下降趋势,在接近相变点时,下降幅度更大。在两相区进行三重热处理时,Ti-6Al-4V钛合金组织是典型的双态组织,包括近等轴α相和β转变组织,β转变组织内部为针状的次生α相和残余β相;当固溶温度在920~950℃时,强度和塑性呈现出良好的匹配关系,在热处理制度为950℃/1 h,AC+950℃/1 h,OQ+560℃/4 h,AC时,材料获得最佳高强度和高塑性匹配关系。

Ti-6Al-4V ELI钛合金的宽温域(-253~350℃)力学性能研究

钛及钛合金是一种重要的太空金属材料,在航空航天领域发挥重要的作用。研究了Ti-6Al-4V ELI钛合金在室温(20℃)、高温(350℃)以及超低温(-253℃)环境下的拉伸力学性能,比较了Ti-6Al-4V ELI钛合金在不同温度下的力学性能指标,分析了其断口形貌特征。结果表明,Ti-6Al-4V ELI钛合金在超低温下表现出较高的力学性能,抗拉强度可达1900 MPa以上,其断口形貌呈现脆性断裂特点。在室温和高温下,Ti-6Al-4V ELI钛合金表现出良好的塑性和韧性,具有较为明显的韧性断裂特点。因其良好的宽温域力学性能,Ti-6Al-4V ELI钛合金是未来发展航天航空领域必不可少的重要金属材料。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于2,均表现为正压痕尺寸效应。结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应,Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系,其拟合结果更接近于试验结果,计算的硬度值也最为准确。