溶胶-凝胶法制备Al_2O_3涂层及其对Ti6Al4V基合金的高温氧化防护性能

以Al(OC3H7)3(异丙醇铝)为原料,采用溶胶-凝胶法于Ti6Al4V基合金表面制备了不同厚度的Al2O3涂层。经SEM和XRD分析表明,涂层表面均匀、无裂纹,主要由非晶态Al2O3组成。研究了涂层对Ti6Al4V基合金等温(600℃和700℃)氧化行为的影响。结果表明,0.8μm厚涂层对合金的高温氧化防护性能最优。于700℃空气中等温氧化20 h,涂层样和空白样抛物线氧化速率常数分别为7.60×10-11、1.46×10-10g2/(cm4.s);涂层样氧化膜TiO2含量明显低于空白样;Al2O3涂层有效抑制了合金表面氧化膜的剥落和开裂;涂层样氧化膜厚度仅为空白样的1/2。

Ti6Al4V表面激光渗碳磨削及其强化机理

目的利用激光渗碳磨技术,研究Ti6Al4V表面性-形协同控制机理。方法以Ti6Al4V为研究对象,提出了一种高效的加工强化一体化技术——激光渗碳磨削。即对工件表面预涂覆渗碳膏,并置于马弗炉中干燥,形成稳定的固态碳源。采用激光辅热的方式对磨削加工过程进行表面性形协同抗疲劳制造。通过对比实验研究了激光渗碳磨削和传统磨削对Ti6Al4V表面力学性能和加工表面质量的影响。对Ti6Al4V表面微相组成、硬度、耐磨性和表面粗糙度进行表征。探究了激光渗碳合金化对材料磨削去除的正向作用以及磨削热回火对重熔层性能的调节作用。结果激光辅热足以使磨削表面温度高达1700℃,实现表面主动渗碳,且激光渗碳磨削后,Ti6Al4V表面形成具有均匀树枝状晶和颗粒状碳化物的重熔层,加工表面硬度达到850HV,磨损损失仅为常规磨削的6.7%,表面粗糙度Ra降低22%。结论激光渗碳磨是一种高效的Ti6Al4V表面性-形协同制造新技术。渗碳重熔层不仅提高了加工表面力学性能,还会影响表层材料的磨削特性,使加工表面更加光整。该技术实现了磨削加工-强化一体化制造,对指导工业生产具有重要的实际意义。

1215钢与Ti6Al4V合金的动态应力应变行为

通过热模拟实验研究易切削材料1215钢和难切削材料Ti6Al4V合金的动态应力应变行为,讨论易切削材料和难切削材料动态形变行为的差异及其原因,分析切削过程中2种材料的形变再结晶行为。结果表明:1215钢在高温低应变速率条件下,可以诱发动态再结晶过程,出现明显的软化;对于Ti6Al4V合金,在Zener-Hollomon参数(Z参数)较小时,没有出现明显的软化,相反在高应变速率下出现了软化,这种现象难以用动态再结晶理论来解释。

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。

压-剪试件在动态加载下的力学响应分析

基于ABAQUS软件对Ti 6Al 4V钛合金压-剪试件(shear-compression specimen,SCS)压缩过程进行3D数值模拟,研究压-剪试样在静动态加载条件下的力学响应。分析了SCS试件的几何参数(长径比、根圆半径、厚度)对分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验结果分析的影响,并讨论利用SCS试件获得材料屈服面的可行性。结果表明:几何参数对SHPB实验结果分析有影响,增加SCS长径比使得加载过程中动态力平衡能力减弱;满足动态力平衡的前提下,SCS试件能得到有效的动态、静态屈服面,可用来研究材料的屈服准则。

热处理气氛对溶胶-凝胶法合成纳米羟基磷灰石涂层的影响

采用溶胶凝胶法(sol-gel)在钛合金(Ti6Al4V)基材表面合成了纳米结构的羟基磷灰石(HA)涂层,利用扫描电镜和X-射线衍射仪分析了涂层的组成和结构,采用划痕仪测定了涂层的结合强度。结果表明:用sol-gel法成功合成了均匀无开裂的HA涂层,HA晶粒尺寸为33-60nm。热处理气氛对涂层的成分和结构有直接影响,氮气保护700℃下合成的涂层是单一的HA成分,和基材结合强度较高;而空气中700℃时Ti6Al4V基材会被氧化生成TiO(2金红石型),因此合成的是HA/TiO2复合涂层,产生氧化层会严重破坏涂层与基材的结合强度。

热氧化处理对钛合金表面耐磨性能影响的研究

为研究热氧化工艺对钛合金表面耐磨性的影响,提高钛合金的表面硬度和耐磨性能,采用热氧化处理技术在钛合金表面生成热氧化陶瓷层,借助电子探针、X衍射仪对热氧化层进行了成分和结构分析。采用MRH-3型高速滑块磨损试验机,在润滑条件下对经热氧化处理和未处理的Ti6Al4V合金耐磨性进行滑动-滚动试验。结果表明:热氧化后的Ti6Al4V合金的磨损量明显减少,该热氧化处理方法能显著增强Ti6Al4V合金的耐磨性。根据试验结果和系统分析,讨论了热氧化处理后材料的摩擦磨损机制。

钛合金超声波焊接温度场和应力场的数值模拟

利用便携式红外测温仪对Ti6Al4V钛合金超声波焊接的温度进行测试;利用ABAQUS大型有限元分析软件建立钛合金超声波焊接热-结构耦合二维轴对称有限元模型,对其不同焊接参数下的温度场和应力场进行分析。结果表明:用便携式红外测温仪所测钛合金超声波焊接焊点边缘的最高温度为620℃,与模拟的结果较接近;焊接界面为高温集中区,最高温度分布在界面中心位置(高达1172.4℃);焊接的温升在前10 ms陡升至500℃左右,随后的温升较平缓且近似线性的增长;最大应力发生在铁砧的上表面中心处,它随焊接压力的增加而增大,但是增加幅度不大;其次应力较大处为焊头边缘下方的钛合金界面处,它随焊接压力的增加而增大,并且增加幅度较大。

钛合金铣削过程刀具前刀面磨损解析建模

钛合金Ti6Al4V作为典型的航空航天难加工材料,在其铣削过程中硬质合金刀具的磨损会降低加工过程稳定性,进而影响加工效率和已加工表面表面质量。刀具前刀面磨损会导致刀具刃口强度降低,并影响切屑的流向和折断情况。针对前刀面磨损机理进行分析并构建了月牙洼磨损深度预测模型。首先运用解析方法构建了前刀面应力场模型,得到切屑在前刀面滑动过程中的刀具前刀面应力分布情况及磨损位置。基于刀-屑接触关系的基础上建立了前刀面温度场模型。然后,基于所得刀具前刀面应力与温度分布,构建综合考虑磨粒磨损、粘结磨损与扩散磨损的铣刀月牙洼磨损深度预测模型,获得月牙洼磨损预测曲线;结合铣刀月牙洼磨损带沿切削刃方向分布的特点,建立了随时间变化的铣刀前刀面磨损体积预测模型。最后通过试验验证了切削宽度对前刀面磨损的影响规律,预测结果与试验测量值具有较好的吻合性。结果表明随着切削宽度的增加,月牙洼磨损深度及前刀面磨损体积都随之增加。研究结果为钛合金铣削用刀具的设计和切削参数的合理选择提供了理论基础。