Ti−6Al−4V合金板材在电脉冲辅助弯曲过程中的显微组织演变及成形性能

在有效电流密度为0~3.2 A/mm^(2)、占空比为10%~70%条件下对Ti−6Al−4V合金板材进行电脉冲辅助弯曲实验。结果表明:当有效电流密度从0增加到2.4 A/mm^(2)时,弯曲成形位移从9.15 mm增加到15.60 mm;同时,裂纹的尺寸和宽度减小。此外,当弯曲位移为8 mm时,回弹角随着有效电流密度的增加而减小。占空比同样影响弯曲角,在30%占空比条件下能获得最小的弯曲角135.0°。板材的热稳定温度随着有效电流密度的增加而增加,但是与占空比呈非线性关系。此外,在电脉冲辅助弯曲过程中出现了晶粒粗化、{0001}织构强度增加和亚晶粒发展。电脉冲使位错密度降低且加速位错的重排,促进α晶粒内亚晶粒的形成,从而改善合金的成形性。电脉冲的非热效应提高了Ti−6Al−4V合金板材的低温成形性,使其与高温下的成形效果类似。

空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V合金离子渗氮组织及性能的影响

目的改善Ti6Al4V合金的耐磨和耐蚀性能,探究辅助渗氮手段的引入对Ti6Al4V合金离子渗氮组织和性能的影响。方法利用空心阴极放电(Hollow Cathode Discharge,HCD)及稀土氧化物(Y_(2)O_(3)纳米颗粒)辅助在720℃对Ti6Al4V合金进行4 h离子渗氮处理。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度测试仪、往复式摩擦磨损实验仪以及电化学工作站,对比研究常规离子渗氮、HCD辅助离子渗氮以及HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮3种条件下Ti6Al4V合金的渗氮组织和性能。结果HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮条件下,Ti6Al4V合金表面生成约126μm厚的渗氮层,分别是常规离子渗氮条件和HCD辅助离子渗氮条件的3.1、2.4倍。化合物层中,TiN含量显著增加,渗氮层表面硬度达到1067.9HV0.05。渗氮层整体硬度明显提高,且硬度梯度降低。Ti6Al4V合金的摩擦系数从常规离子渗氮时的0.4降至0.2。同时,TiN含量的提高,使Ti6Al4V合金在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电流降低,极化电阻增大,耐蚀性能得到改善。结论HCD复合Y_(2)O_(3)辅助可显著提高氮势,促进氮向Ti6Al4V合金内快速扩散,提高合金的硬度,改善合金的耐磨性能和耐蚀性能。

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。

热处理对选区激光熔化Ti6Al4V合金力学性能和耐磨性的影响

系统研究了热处理工艺对选区激光熔化Ti6Al4V合金组织、力学性能和耐磨性的影响。结果表明,沉积态样品组织以针状α'马氏体为主,经固溶处理后,针状α'马氏体分解,Ti6Al4V合金硬度下降。当固溶温度为800℃时,合金形成α'/α结构,其抗拉强度和延伸率分别增加12%和23%。当固溶温度达到900℃以上时,由于α'/α结构的消失、α相晶粒的粗化以及β相含量的增加,合金的力学性能急剧下降,抗拉强度从(935±10)MPa下降到(815±9)MPa,伸长率从(8.72±0.2)%下降到(3.09±0.1)%。随着固溶温度的升高,摩擦系数和磨损率线性增大,与硬度的变化趋势完全相反,且磨损机理由单一磨粒磨损转变为磨粒磨损和氧化磨损。

激光选区熔化生物医用Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为

分析了SLM Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为及相应的微观组织和断口形貌,设置与SLM试样化学成分相同的轧制态Ti-6Al-4V合金进行对比研究.采用X射线衍射(XRD)、结合电子背散射衍射(EBSD)的扫描电子显微镜(SEM)对合金的微观组织进行分析.结果表明,三点弯曲疲劳裂纹起始于准解理断裂表面附近的应力集中,随后向内扩展.SLM成形Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳寿命高于轧制成形Ti-6Al-4V合金,SLM Ti-6Al-4V合金内部孔洞缺陷导致表面附近应力集中,促进疲劳裂纹形核;而SLM Ti-6Al-4V合金中随机取向的α+β晶粒、二次裂纹和孔洞延缓了裂纹扩展,提高了疲劳寿命.对于轧制态Ti-6Al-4V合金,由大量近似取向α晶粒组成的宏观区引起应力集中,形成微裂纹,导致疲劳裂纹形核,而且宏观区对裂纹扩展的阻碍作用较小,不利于材料的疲劳寿命.

激光功率对Ti6Al4V/NiCr-Cr_(3)C_(2)熔覆层宏微观组织及性能的影响

激光功率是影响熔覆层质量的重要因素,为揭示激光功率对Ti6Al4V/NiCr-Cr_(3)C_(2)复合涂层成形质量、微观组织及耐磨性能等多方面的影响规律,采用同轴送粉、多道搭接激光熔覆技术在Ti6Al4V基材表面熔覆NiCr-Cr_(3)C_(2)粉末制备出碳化钛增强钛基复合涂层。通过渗透探伤、光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜及配套能谱仪等测试与表征方法分析熔覆层表面裂纹、截面形貌、孔隙率、稀释率、几何特征以及微观组织等。通过维氏显微硬度计和旋转式摩擦磨损试验机测试熔覆层显微硬度和耐磨性能,最后综合成形、组织与性能等方面的影响对熔覆层质量进行评价。结果表明,激光功率对熔覆层成形质量的影响显著。激光功率为1100 W和1300 W时熔覆层表面存在大量裂纹、气孔等缺陷。随着激光功率提高,熔覆层的熔高、熔宽、熔深及稀释率等均不断提高,裂纹率、孔隙率等持续降低。激光功率对涂层内物相种类的影响较小,主要物相为增强相TiC和基体相CrTi_(4)。激光功率为1500 W和1700 W时熔覆层的硬度相对较高,且磨损率较低。综合考虑激光功率对熔覆层的多方面影响,最后确定最优激光功率为1500 W,在此激光功率下制备出的熔覆层具有相对较好的成形质量和优异的耐磨性能。

电化学脱合金Ti6Al4V基台对人牙龈成纤维细胞的影响

目的探讨电化学脱合金Ti6Al4V基台对人牙龈成纤维细胞(human gingival fibroblasts,HGFs)的影响,为种植基台表面改性设计提供实验依据。方法根据试样不同表面进行分组:NC组(阴性对照,光滑表面无其他处理)、NM-1组(纳米网-1,1 mol/L NaOH电化学脱合金处理1 h,电压2 V)、NM-2组(纳米网-2,5 mol/L NaOH电化学脱合金处理1 h,电压2 V)。扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观察不同试样表面形貌及HGFs在其表面的黏附状态,接触角测量仪测定试样表面亲水性。CCK-8评估HGFs在不同试样表面的增殖情况;qRT-PCR检测HGFs在不同试样表面Ⅰ型胶原(collagenⅠ,COL1A1)、Ⅲ型胶原(collagenⅢ,COL3A1)、纤连蛋白1(fibronectin 1,FN1)、黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)、黏着斑蛋白(vinculin,VCL)、整合素α2(integrinα2,ITGA2)、整合素β1(integrinβ1,ITGB1)等黏附相关基因表达水平;免疫荧光染色,激光共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscope,CLSM)观察HGFs在不同试样表面vinculin蛋白表达情况;天狼猩红染色评价HGFs在不同试样表面胶原纤维分泌合成情况。结果SEM观察到NM-1组和NM-2组表面形成有序均一的三维网状结构,网格直径NM-1组约为30 nm,NM-2组约为150 nm;NM-1组和NM-2组对比NC组,水接触角显著下降(P<0.0001);NM-1组细胞增殖能力较NC组显著提高(P<0.01),NM-1组和NM-2组的水接触角及细胞增殖能力差异无统计学意义(P>0.05)。SEM镜下可见HGFs黏附24 h后在各组试样表面均黏附良好,NM-1组和NM-2组细胞与NC组对比伸展面积更大,形态纤长,细胞伪足更发达。qRTPCR结果显示NM-1组中COL1A1、COL3A1、FN1、FAK、VCL等黏附相关基因表达水平显著高于NC组和NM-2组(P<0.01)。vinculin蛋白免疫荧光结果表明,NM-1组vinculin蛋白表达水平最高,单个细胞黏着斑数量最多(P<0.01)。天狼猩红染色结果显示NM-1组胶原纤维分泌合成量最高(P<0.0001)。结论Ti6Al4V经电化学脱合金改性后所构建的三维纳米网状结构有促进HGFs黏附增殖和胶原分泌合成的作用,其中网格直径约为30 nm的NM-1组对HGFs的促进作用明显。

Ti6Al4V钛合金周铣加工表面应力集中系数预测研究

Ti6Al4V钛合金因优异的力学性能被广泛应用于航空、航天等领域。为了实现材料的抗疲劳加工,从应力集中的角度研究了周铣加工表面形貌对Ti6Al4V钛合金疲劳行为的影响。利用所建立的三维表面形貌预测模型生成铣削表面特征,将从表面形貌预测模型得到的表面粗糙度数据分别集成到Arola-Ramulu模型和有限元模型,计算得到不同加工表面的应力集中系数。结果表明,预测和实测的表面形貌在纹理和剖面上显示出良好的一致性,Ti6Al4V钛合金周铣加工表面的应力集中系数与每齿进给量和径向切削深度呈正相关,与切削速度呈负相关,且对每齿进给量的变化最敏感。

Ti6Al4V钛合金棒材的制备方法

申请号:CN202211052421.X申请日:2022-08-29公开(公告)日:2023-12-19公开(公告)号:CN115740306B申请(专利权)人:西部超导材料科技股份有限公司摘要:本发明公开的Ti6Al4V钛合金棒材的制备方法包括高温锻造、低温锻造+高温锻造、低温拔长及成形锻造。本发明摒弃了传统的棒材自由锻多火次镦拔的工艺方案,采用高低高工艺,充分利用再结晶与温度和时间的关系,通过高低两个温度段的坯料拔长锻造,采用拔长弹簧砧和成形弹簧砧拔长成形工艺,有效实现Ti6Al4V钛合金棒材组织的细化均匀以及锻造过程中的一致性,且能够大幅提高生产效率及成品率。

Sm含量对挤压态Mg-6Al-2Sr合金组织及性能的影响

本文研究了不同Sm含量对挤压态Mg-6Al-2Sr合金的强化机理,采用金相实验、X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对显微组织进行观察,并通过EBSD分析了Sm含量对合金显微组织的影响。本文主要是对不同Sm含量的Mg-6Al-2Sr铸态合金进行挤压实验。结果表明:随着Sm含量的增加,生成的Al_(2)Sm相在挤压的作用下破碎,并且沿挤压方向在晶界处均匀弥散,阻碍晶粒长大;继续不断增加Sm,使得在晶界处Al_(2)Sm相增多聚集,反而对合金力学性能产生不利影响;当Sm含量为1.5 wt%时,合金的平均晶粒尺寸最细小,其抗拉强度、屈服强度和伸长率达到297.9 MPa、257.8 MPa和21.3%,硬度达到HV78.9,较Sm含量为0 wt%的合金,抗拉强度提升了15.6%,屈服强度提升了34.6%,伸长率提升了34.8%。

用机械涂层技术在Ti-6Al-4V基体表面沉积HA/Ti复合涂层与功能梯度涂层的表征、磨损行为和生物相容性

采用机械涂层技术在Ti-6Al-4V基体表面沉积HA/Ti复合涂层与功能梯度涂层(FGC),对涂层进行表征,对比其磨损行为和生物相容性。制备复合涂层所用初始粉末为50%Ti(质量分数)和50%HA(质量分数)的混合粉末,而FGC分为两层,分别为75%Ti+25%HA和25%Ti+75%HA(质量分数)。XRD结果表明在沉积过程中没有发生相变。此外,由于原始混合粉末中存在Ti颗粒,在涂层和基体之间形成了结合良好的连续界面,特别是在功能梯度涂层样品中。磨损实验结果显示,非梯度复合涂层的摩擦因数约为0.37,在界面处发生突变,而功能梯度涂层的摩擦因数从0.32增加到0.5,在界面处发生平缓变化。磨损表面的SEM像表明涂层的主要磨损机制为磨粒磨损。生物相容性评价结果显示,FGC样品具有更好的细胞黏附和增殖能力。

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。

掺入纳米CeO_(2)颗粒对Ti6Al4V的微弧氧化涂层性能的影响

采用脉冲电源在磷酸盐和硅酸盐等复合电解液下对Ti6Al4V钛合金进行表面陶瓷化处理,并研究在电解液中掺杂不同质量浓度CeO_(2)颗粒制备出的陶瓷涂层性能的变化,确定最佳掺杂浓度。应用XRD、SEM和EDS等手段表征了MAO涂层的物相组成、表面形貌和元素组成,并对比分析了CeO_(2)颗粒掺杂前后的厚度变化和电化学腐蚀行为。制备出的MAO陶瓷涂层具有复杂的多相复合结构,主要以金红石TiO_(2)和锐钛矿TiO_(2)为主,含有部分Al_(2)TiO_(5)和SiO_(2)相,另外还含有晶态的Al2O3和少量非晶态Al2O3;在电参数、反应时间和电解液温度不变的条件下,在电解液中掺杂CeO_(2)能轻微提高MAO涂层的厚度,并改变各相之间的转化率,提高氧化膜的耐蚀性。随着掺杂质量浓度的提高,膜层的光滑度先提高后降低,膜厚逐渐增加,耐蚀性先提高后降低;掺杂质量浓度为1.00 g·L^(-1)时平均膜厚达到12.02μm,涂层表面最光滑,涂层的致密性最好,致密层电阻Rb大大提高,此时的腐蚀速率最低为0.79μm·a^(-1),耐蚀性最好。

AlCrN涂层刀具对Ti6Al4V的干铣削与磨损性能研究

在JTVC650B立式加工中心上分别使用未涂层刀具和AlCrN涂层刀具对45钢进行单因素干铣削试验,探究两种刀具对铣削弯矩性能的影响;采用AlCrN涂层刀具对Ti6Al4V进行干铣削试验,运用单因素试验法研究铣削方式和铣削要素对铣削弯矩的影响,并利用正交试验法结合方差分析和信噪比分析,研究AlCrN涂层刀具干铣削Ti6Al4V的最优铣削参数组合,并对AlCrN涂层刀具磨损区域进行SEM和EDS分析。研究表明:相对于未涂层刀具,采用AlCrN涂层刀具能够有效降低铣削过程中产生的弯矩;铣削Ti6Al4V时,AlCrN涂层刀具采用顺铣的方法比逆铣更优;铣削弯矩随着主轴转速的增加而逐渐减小趋于平稳,随着进给量和铣削深度的增加而增大,最优铣削参数为A3B1C1;AlCrN涂层刀具磨损区域存在磨料磨损、黏结磨损和扩散磨损。

Ti-6Al-4V钛合金热处理性能的研究进展

从热处理工艺对Ti-6Al-4V(TC4)钛合金的显微组织、力学性能及摩擦磨损性能等的影响这些方面,综述了该合金的热处理研究进展,对热处理过程中合金的性能变化进行了梳理,总结了合金在不同热处理工艺后的组织及性能,以期为热处理在钛合金的相关研究和应用提供参考。

高能喷丸制备具有表面梯度结构的Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹扩展行为

通过高能喷丸(HESP)在Ti-6Al-4V合金表面成功制备梯度结构,并研究其对疲劳裂纹扩展的影响。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪对HESP过程中的显微组织和残余应力演变进行表征。结果表明,材料表面形成的梯度纳米结构具有220μm深度的残余压应力层。梯度纳米结构的产生能改善合金的强塑性匹配。最大残余压应力产生于次表层,且随着喷丸时间的增加逐渐增大。HESP处理有效降低裂纹扩展速率,提高疲劳裂纹扩展寿命。残余压应力可降低裂纹尖端的有效应力强度因子范围(ΔK’eff),从而产生裂纹闭合效应并延缓裂纹扩展。同时,晶粒细化引起的晶界增加、有效滑移长度减小和裂纹尖端塑性区的协同作用也会使裂纹扩展阻力增大。

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。

高低温交替海洋环境Ti6Al4V合金的腐蚀损伤机理

目的探究高低温交替海洋服役环境中Ti6Al4V合金的腐蚀损伤失效过程,揭示高温氧化、沉积盐膜、频繁启动工作模式耦合作用下合金的腐蚀损伤与退化机理。方法采用高温氧化、高温氧化-盐雾交替和高温氧化-海水浸泡交替试验方法,对Ti6Al4V合金腐蚀失效行为进行了全面评估;利用X-射线衍射仪(XRD)、X-射线光电子能谱仪(XPS)与扫描电子显微镜(SEM)等微尺度检测分析仪器,全面解析了合金损伤失效过程中表面物相结构、腐蚀产物成分及表/截面形貌特征。结果650℃氧化400 h后,Ti6Al4V合金表面氧化层(TiO_(2)+Al_(2)O_(3))生长致密且均匀;经50循环高温氧化-盐雾交替试验后,Ti6Al4V合金遭受加速腐蚀损伤,表面存在明显点蚀,氧化层出现分层剥落;经50循环高温氧化-海水浸泡试验后,Ti6Al4V合金腐蚀损伤进一步加速,但氧化层生长迅速,整体增重达5.167 mg/cm^(2)。结论高温氧化过程中Ti6Al4V合金表面氧化层呈缓慢均匀生长特征,具有优良的抗氧化性。高低温交替工作模式加速了氧化膜快速生长与结构破坏,Cl^(-)的浓度对Ti6Al4V合金表面氧化层的降解具有显著驱动作用,且Cl^(-)浓度越高腐蚀降解越严重。随着样品表面氧化层的致密性和完整性被破坏,混合盐逐渐侵入氧化层内部,加剧了氯化物的挥发,表明Ti6Al4V合金在高低温交替环境下抗腐蚀性较差。

增材制造Ti6Al4V基复合材料研究进展

Ti6Al4V基复合材料具有高杨氏模量、高比强度、良好的耐磨性和高温耐久性等一系列优异的性能,在航空航天、汽车制造和石油化工等高端结构材料领域具有广阔的应用前景。然而,Ti6Al4V基复合材料的传统减材制造方法存在能耗高、效率低、工艺复杂、材料利用率低和后处理加工成本高等共性缺点,无法满足规模化应用的需要。在此情况下,增材制造(additive manufacturing,AM)技术因具有能耗低、效率高、材料利用率高及对复杂形状制品可实现近净成型等优点,在制备Ti6Al4V等合金及其复合材料方面具有显著的应用优势和重要的科研价值。综述了现有Ti6Al4V基复合材料的增材制造方法,包括选区激光熔融(selective laser melting,SLM)、激光定向能量沉积(laser directed energy deposition,LDED)、电子束熔融(electron beam melting,EBM)、丝材电弧增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)和电子束自由成形(electron beam freeform fabrication,EBFF)法,总结了上述方法的技术原理和优缺点,以及以原位合成陶瓷增强相为主的Ti6Al4V基复合材料的适宜加工参数、显微形貌特征及力学性能特点,并展望了增材制造Ti6Al4V基复合材料领域的技术发展趋势。