高速子弹侵彻Ti6Al4V合金的热力耦合分析

基于动力学、温度-位移关系和几何非线性原理,采用Johnson-Cook本构模型构建起高速子弹撞击Ti6Al4V数值分析模型,研究了不同速度下子弹着靶时剩余速度的变化及靶板的温升特性及靶板的瞬态应力变化规律进行了分析;分析了距离撞击点不同位置的应力变化规律及碰撞时上下表面的应力变化情况,并分析了子弹撞击Ti6Al4V合金板过程中的冲击能量突变过程。结果表明:通过对比不同速度子弹侵彻Ti6Al4V的数值分析模型,得出子弹初速度大小是影响侵彻过程中各参数变化的重要因素;随着初速度的增大,其碰撞时间减小且剩余速度随初速度的变化规律近似线性递增;碰撞过程中子弹动能转化为整体内能使温度上升,碰撞区域温度随速度增大而增大;瞬态应力的大小及传递速度随子弹速度变化而改变,速度越大,碰撞中心弹性和塑性变形越剧烈,应力值越大。

SLM制备Ti6Al4V合金表层组织的均质化及腐蚀行为研究

采用激光选区熔化(SLM)增材制造工艺制备致密度为97.5%的Ti6Al4V合金,并利用高能喷丸与退火处理复合工艺对垂直建造方向的XOY面及平行建造方向的XOZ面进行均质化处理,然后对原始打印件、喷丸处理以及喷丸+退火处理的3种状态的试样进行电化学性能测试。研究结果表明:经喷丸处理后,原始打印件XOY面和XOZ面的组织趋于均质化,同时组织明显细化;喷丸既不改变衍射峰的位置,也不产生新的衍射峰,但可使衍射峰宽化;对于喷丸后经不同温度退火处理的样品,随退火温度的升高,XOY面和XOZ面的晶粒逐渐长大,在780℃退火后,二者均可获得α+β双相组织。对于原始打印件,XOY面和XOZ面的电化学腐蚀行为存在明显的差异,其中,XOY面的腐蚀倾向更小,耐蚀性能更优。经喷丸+退火处理后,这种差异明显减小,同时耐蚀性能进一步提高,经综合考虑可得喷丸+780℃退火为最佳工艺。

流线形激光织构对Ti6Al4V合金摩擦磨损性能的影响

Ti6Al4V合金因同时具有众多优良的机械性能而成为机械中关键零部件的首选材料,然而,Ti6Al4V合金硬度低、耐磨性差等缺陷限制了其在机械领域更为广泛的应用。鉴于此,研究利用激光织构技术在Ti6Al4V合金表面制备流线形对称织构,在油润滑条件下,通过摩擦实验系统研究了不同参数激光流线形织构对Ti6Al4V合金材料耐磨性的影响。利用SEM、LICHEN电子天平等设备对不同样品表面的磨痕形貌、磨损量等进行表征。实验结果表明,当织构长度为400μm,深度为600μm时,样品的摩擦系数及磨损量较小,减摩效果更好。此外,研究还利用ANSYS Workbench软件对润滑油在织构表面的流动特性进行模拟,发现实验中摩擦系数的减小主要是润滑油在织构作用下流速、流向发生变化导致油膜压力增大而引起的。油膜压力增大能提高油膜的承载力,有效降低摩擦副的摩擦系数。

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。

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。

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。

增材制造Ti6Al4V钛合金的激波压缩状态方程与动态变形机理研究

增材制造工艺具有快速成型、结构可控等优势,有广阔的应用前景,然而增材制造的合金材料的动态性能研究相对贫乏.文章针对在国防空天领域应用广泛的Ti6Al4V合金,选取增材制造与锻造Ti6Al4V钛合金为研究对象,利用一级轻气炮系统,对两种不同工艺的钛合金材料开展不同冲击速度的平板撞击实验,同时借助光子多普勒测速(PDV)系统与阻抗匹配技术获得自由表面的粒子速度和激波速度,进而得到两种钛合金的Hugoniot状态方程.进一步,对变形样品微结构开展透射电镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)表征,揭示其动态变形机理.发现两种合金都具有很高的相变阈值(锻造合金>7.90 GPa,增材制造合金>7.87 GPa)与冲击弹性极限HEL(锻造合金为2.56 GPa,增材制造合金为2.78 GPa),两种Ti6Al4V合金的塑性变形机理均为位错滑移主控,锻造合金在变形后期产生滑移带,增材制造合金的片层状α相与β相的相界面起着阻碍位错运动的强化作用,在变形后期位错线从α相中越过相界面滑移至相邻的另一个α相中,位错滑移越过相界面需要较大的应力输入,因此表现出相比锻造合金更高的冲击弹性极限HEL.

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。

TC4钛合金表面固体粒子冲蚀损伤行为及机理研究

目的探究TC4钛合金在固体粒子冲蚀下的损伤行为,揭示钛合金表面的冲蚀机理。方法采用自主搭建的冲蚀试验装置,以TC4钛合金为研究对象,综合运用正交试验法和控制变量法开展常温干砂粒冲蚀试验。通过扫描电镜综合分析冲蚀区域表面和截面的微观形貌,采用能谱仪分析冲蚀区域元素的组成,利用电子天平测量冲蚀磨损质量;讨论工艺参数对钛合金损伤行为及冲蚀机理的影响。结果相较于冲砂量和冲蚀角度,冲蚀距离对冲蚀量的影响更大;冲蚀量随着冲蚀角度的增加呈先增大后减小的趋势,在40°附近达到峰值。结合数值模拟和试验研究结果发现,钛合金的损伤形式和冲蚀机理与冲蚀角度密切相关,在低攻角时形成了较狭长的犁沟和挤压唇,发生了明显的塑性变形,容易产生二次撞击,表现为微切削机制;在中攻角时,微切削与锤击效应共存,损伤最为严重;在冲蚀角度为90°时,形成了较多的撞击坑、挤压唇及少量的疲劳剥层,主要为锤击效应引起的疲劳破坏。在低攻角时,磨料动能损失较小,随着冲蚀角度的增加,磨料动能损失增大,且在不同攻角下均有破碎磨料嵌入基体。结论冲蚀距离和冲砂量对钛合金冲蚀损伤的影响较为显著,冲蚀角度会影响钛合金的冲蚀机理,此研究结论可为钛合金结构件抗冲蚀设计提供理论依据。

增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能研究进展

Ti6Al4V合金综合性能优异,是现阶段航空航天工业用量最大的钛合金。随着新一代航空航天装备对高效能、高可靠性、轻量化及长寿命等技术指标的要求日益提高,利用增材制造技术快速制备结构复杂的钛合金构件成为近年来的研究热点。伴随航空航天工业发展,损伤容限设计成为该领域结构设计和材料选择的基本判断依据。现有研究表明,增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能已经基本达到甚至超过锻造或轧制退火水平。以激光选区熔化成形技术、激光熔化沉积技术、电子束熔化成形技术和电弧增材制造技术制备的Ti6Al4V合金为对象,综述了不同增材制造工艺及后续热处理对显微组织、残余应力等损伤容限性能影响因素的影响,阐明了近年来增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能的相关研究进展。

Ti6Al4V合金渗镀Cr-Mo表面改性层组织结构及其耐磨特性研究

采用双层辉光离子渗技术在Ti6Al4V合金表面进行多元合金化,形成均匀致密的Cr-Mo合金渗层。通过GDOES、XRD等手段标定表层成分和相结构,借助显微硬度计和球盘磨损仪测试合金渗层的性能。结果表明:合金渗层中合金化元素Cr与Mo呈梯度分布,主要由化合物Cr1.93Ti1.07、Cr2Ti、Cr2Ti4O11等相构成;改性的Ti6Al4V合金表面硬度有较大程度的提高,抗磨损性能明显改善。

机夹飞刀铣削钛合金Ti6Al4V工件的工艺研究

针对钛合金Ti6Al4V难切削加工的特点,开展机夹飞刀铣削钛合金的工艺研究。建立了机夹飞刀高速铣削钛合金Ti6Al4V的有限元模型,参照实际铣削加工工艺设定边界条件,仿真了不同铣削参数条件下,切屑形成的应力与铣削温度分布云图;针对铣削过程中的铣削力变化、刀尖的铣削温度变化等,采用单因素法研究了切削速度、每齿进给量、切削宽度、切削深度、刀尖圆弧半径等不同铣削参数对铣削力和铣刀刀尖温度的影响。研究表明:对主铣削力的影响由大到小的次序为切削宽度、每齿进给量、切削深度、切削速度、刀尖圆弧半径;对刀尖温度的影响由大到小的顺序为切削宽度、每齿进给量、切削速度、刀尖圆弧半径、切削深度;其中切削速度与刀尖圆弧半径对主铣削力,刀尖圆弧半径与切削深度对刀尖温度的影响都为负相关。

含氢V4Cr4Ti合金的力学性能和断裂特征

测试了不同氢含量V4Cr4Ti合金的冲击、拉伸和J积分断裂韧性等性能 ,分析了试样断口宏、微观断裂特征 ,研究了钒合金的氢脆行为和断裂机制。结果表明 ,在氢含量低于 2 15mg·kg- 1时 ,该合金的拉伸伸长率 >17% ,而冲击韧性和断裂韧性显著降低 ,表现出不同的氢脆敏感性。穿晶解理是该合金脆断的主要方式 ,但不同类型试样发生解理脆断的临界氢含量存在明显差异。

Ti55531钛合金超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr和WC-17Co工艺对比研究

采用HVOF技术在Ti55531钛合金基体上制备WC-10Co4Cr和WC-17Co涂层。利用SEM分析试样微观形貌,采用光学分析软件计算涂层孔隙率,使用显微硬度计、常温持久强度试验机测试涂层显微硬度、结合强度,并对试样进行了中性盐雾腐蚀试验,对比分析其耐蚀性。结果表明:在Ti55531钛合金基体上制备的WC-10Co4Cr, WC-17Co涂层微观组织致密,孔隙率分别为0.57%,0.43%;结合强度分别为76.8,80.4 MPa;显微硬度分别为HV_(0.3)1 206.4,HV_(0.3)1 005.6,均明显高于Ti55531基体的HV_(0.3)394.2;WC-10Co4Cr和WC-17Co涂层均能有效地提高基体的耐蚀性能,其中WC-10Co4Cr涂层耐蚀性能更优。2种涂层性能指标均满足规范要求。

退火工艺对石油套管用Ti6Al4V0.55Fe合金组织和力学性能影响

石油套管用Ti6Al4V0.55Fe合金是TC4钛合金改性的一种优良的轻质高强度材料,具有密度低、比强度高、塑性好、耐高温、耐腐蚀等优点。通过普通退火、双重退火和β相区退火+低温退火,分别获得了Ti6Al4V0.55Fe合金的等轴、双态和片层组织。研究结果表明,Ti6Al4V0.55Fe合金等轴、双态、片层组织在硬度、强度和塑性等方面存在差异,双态组织具有最佳的综合力学性能,实现了硬度-强度-塑性的良好匹配。双态组织的硬度达到了410HV_(0.2),屈服强度和抗拉强度分别为924 MPa和1035 MPa,断后伸长率为16.76%,断面收缩率达到23.79%。双重退火后的Ti6Al4V0.55Fe合金可以满足石油套管用钛合金在工程上的强度塑性要求。

利用微计算机断层扫描定量研究选择性激光熔化Ti6Al4V合金缺陷的几何特征及形成机理

增材制造(AM)部件内部形成的缺陷对打印零件的力学性能具有不利影响。缺陷对零件性能的影响因其几何特征的不同而不同。利用X射线计算机层析成像(XCT)研究不同打印参数下36个块状Ti6Al4V样品的孔隙缺陷特征。根据样品中孔隙的几何特征,将孔隙缺陷分为4种类型:球形、椭圆形、长条形和不规则形。在所有工艺参数下,长条形状缺陷所占比例最大,并且随着扫描速度的提高,不规则形状缺陷所占比例逐渐增大。另外,分析单道和多道试样中缺陷逐渐积累规律。随着层的叠加,孔隙逐渐积累,而适当的搭接率可能会熔化道之间的气孔。表面粗糙度和熔池润湿对缺陷的形成有很大的影响。

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。