激光选区熔化成形工艺对TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形技术制备TA15钛合金,通过光学显微镜(Optical microscope,OM)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)和室温拉伸等研究了激光功率和扫描速度对SLM成形TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响规律。结果表明:在低激光功率(100~125 W)、高扫描速率(1200~1600 mm/s)区域,激光能量密度较低,合金内部缺陷主要为不规则形状的缺陷;在高激光功率(150~200 W)、低扫描速度(800~1000 mm/s)区域,激光能量密度过高,合金内部缺陷主要为规则球形缺陷。规则球形缺陷的存在会导致合金塑性显著降低、对强度影响较弱;而不规则未熔合缺陷的存在会显著降低合金强度和伸长率。TA15钛合金的最佳工艺参数:激光功率为200 W、激光扫描速度为1600 mm/s时,成形合金拉伸强度为(1291±4.2)MPa,断裂伸长率为(8.5±0.5)%。

选区激光熔化成形2%TiB_(w)/TA15复合材料的显微组织与性能

本文通过选区激光熔化成形技术(Selective laser melting,SLM)制备原位自生2%(体积分数)TiB_(w)/TA15钛基复合材料,探究激光功率和扫描速率对该复合材料的显微组织和室温/高温力学性能的影响规律,并揭示其强化机理。结果表明:SLM-2%TiB_(w)/TA15复合材料中存在孔隙缺陷,其数量随激光功率的降低和扫描速率的增大而增加。该复合材料基体由一定生长方向的原始柱状β晶和细小层片状α相组成,TiB晶须呈弥散分布;其抗拉强度随激光功率的增大而减小,随扫描速率的增大而增大,最高室温抗拉强度为1337.8 MPa,与SLM-TA15合金相比提高了15.1%;600℃抗拉强度最高值为651.1 MPa,与SLM-TA15合金相比提高了10.1%。复合材料的维氏硬度最高为403.21HV,显著高于SLM-TA15合金(345.3HV)。该复合材料强度提升的主要强化机制为载荷传递强化、热错配强化和细晶强化。

TA15钛合金低温力学性能及J-C本构模型的研究

超低温加工技术可以有效改善钛合金加工过程中存在的切削温度高、加工质量差等问题,然而,钛合金低温本构模型的缺失制约了钛合金超低温加工技术的进一步发展。以TA15钛合金为研究对象进行低温静态拉伸试验,分析了TA15合金的低温力学性能,构建了钛合金低温本构模型,并基于不等分剪切区理论验证了本构模型的准确性。试验结果表明,在低温条件下,TA15钛合金的强度提高,延伸率和塑性降低,在-196℃时材料强化阶段明显缩短;将本构模型计算获得的切削力与试验获得的切削力对比研究发现,主切削力最大误差为22.34%,最小误差为0.48%,进给力最大误差为26.32%,最小误差为1.43%。修正后的Johnson-Cook本构模型具有较高的准确性,可以为钛合金超低温加工机理的研究提供参考和指导。

基于JmatPro软件的TA15钛合金设计与实验

利用JmatPro软件计算了不同典型合金元素含量下TA15钛合金的相图和力学性能,明确了典型合金元素对TA15钛合金相变点、拉伸性能影响规律。研究表明:Al能提高合金的相变温度和强度,V、Mo降低了合金相变温度,但具有一定固溶强化作用,Zr对相变温度影响不显著,但对提升合金强度有利。基于优化后的成分配比,制备了Φ105mm×6mm规格的TA15钛合金无缝管并对组织和力学性能进行分析。结果表明,TA15无缝管具有双态组织,室温抗拉强度为998 MPa,延伸率17.5%;500℃高温抗拉强度可达715.5 MPa,这说明该TA15无缝管兼具了良好的室温韧塑性和高温性能。

热处理温度对TA15钛合金板材组织及性能的影响

本研究对冷加工态TA15钛合金板材进行了750℃、800℃、850℃和900℃四种温度的热处理,并深入探讨了处理后的显微组织、室温拉伸性能、弯曲性能、洛氏硬度和高温性能。结果显示,在750℃时,板材的横向为等轴组织,纵向含有少量拉长组织;而在800℃至900℃范围内,板材的横向和纵向均形成了均匀细小的等轴组织。随着热处理温度从750℃升至850℃,板材的拉伸强度逐渐降低,而伸长率、弯曲角度则有所增加,洛氏硬度逐渐下降。值得注意的是,800℃至850℃热处理的板材显示出优异的综合性能,特别是850℃热处理的板材已完全再结晶。因此,建议TA15钛合金冷轧板材在这个温度范围内进行热处理,以获得最佳的显微结构和力学性能。

焊接工艺参数对TA15/304不锈钢真空扩散焊接头组织与抗剪强度影响

针对TA15钛合金与304不锈钢的异种金属连接及其接头进行了研究.结果表明,在850~950℃的焊接温度下,接头扩散区(β-Ti区)和(α+β)-Ti双相区的宽度随温度的升高而增加,元素扩散更充分,接头孔洞逐渐减少,观察到逐渐增加的分层产物.分层产物主要为金属间化合物组成的界面层,即σ-Fe(第1层),FeTi+Fe_2Ti(第2层),FeTi+β-Ti(第3层)和β-Ti(第4层).当焊接温度为900℃时,焊接接头达到最大抗剪强度为108 MPa,随着焊接时间的提升,焊接接头的微观形貌,元素成分和物相组织与焊接温度参数接头类似,但焊接时间对接头的抗剪强度影响较小,当焊接时间为80 min时,抗剪强度达到最大,断口出现以韧性为主的脆-韧性混合断裂特征.

退火温度对TA15钛合金显微组织和力学性能的影响

TA15钛合金产品通常都要进行退火处理。为揭示退火温度对其显微组织和力学性能的影响,对ϕ350 mm的TA15钛合金试棒分别进行了在760℃、800℃和840℃保温2 h空冷至室温的退火。随后采用扫描电镜和电子万能拉伸试验机检测了试棒的显微组织、室温和高温拉伸性能以及拉伸断口的形貌。结果表明:随着退火温度的升高,β相转变的组织增多,细小的α相充分球化且杂乱分布;随着退火温度的升高,合金的室温抗拉强度升高,室温屈服强度先升高后略微降低,断后伸长率降低,而高温抗拉强度和屈服强度均升高,塑性变化不大,拉伸断口的韧窝变大变浅,以韧性断裂为主。

TA15钛合金薄板组织与拉伸性能

使用2450 mm轧机对TA15钛合金进行薄复叠轧轧制加工,使用光学显微镜、扫描电子显微镜以及拉伸性能试验,对薄板进行微观组织和拉伸性能研究。结果表明:薄板的组织主要由α晶粒组成,在各α晶粒之间存在黑色的残余β相,α晶粒的形貌以等轴状与细长条状为主,存在一定的轧制加工形貌。薄板的轧制方向(TD)与薄板的横向(RD)方向的拉伸性能十分接近,断口微观形貌均由大量等轴状韧窝构成,具有明显的韧性断裂特征,除包含大量韧窝外,还包含少量的小平面,小平面十分光滑且圆润,同时发现一定数量的二次裂纹。

TA15钛合金相变温度与锻造温度符合性确认

针对TA15钛合金相变温度与两相区(α+β)锻造加热温度符合性问题,对TA15钛合金棒料及锻件进行了多批次对比性的工艺验证,结果表明:TA15棒料相变点测定有效区间在992~996℃,根据相变点选取原则,将两相区(α+β)锻造加热温度(955±5)℃进行固化并进行试验,锻件形状、尺寸、力学性能、高低倍组织、超声检测等全部达到了规定的技术要求。

激光选区熔化TA15材料缺陷分布研究

激光选区熔化(SLM)技术可以实现复杂构件的高精度快速制造,虽然在航空航天领域得到了广泛应用,但成形件内部难以避免地会存在缺陷。针对实际产品的SLM成形工艺改进和确定产品质量验收条件的需要,采用扫描电镜对与实际产品相同工艺制备的TA15材料试样开展了缺陷分布研究。结果表明:试样内部主要存在气孔和未熔合缺陷,不同厚度试样的缺陷均呈现相同的分布规律,即未熔合缺陷主要分布于试样的表面区域,气孔缺陷主要为无规则的弥散分布,整体而言,缺陷的分布呈现一定的聚集性趋势。

压力和功率对EIGA制备TA15粉末的影响

气雾化是制备增材制造原材料金属粉末的主要方法。该文针对钛合金得粉率低和球形度差问题,采用电极感应熔炼气雾化(EIGA)技术制备TA15钛合金3D打印专用粉末,通过扫描电子显微镜(SEM)和激光粒度仪测试分析手段,研究制粉工艺参数气雾化压力和熔炼功率对粉末粒径分布及形貌的影响规律。研究结果表明,随着雾化气体压力的增大,TA15粉末粒径减小,细粉收得率显著提高,但当雾化压力增加到5 MPa时形成大量卫星粉导致粉末收得率降低至38%;雾化压力的增大会导致气体速度提高,增加气体和金属液的相对速度与动能,使金属液滴的一次破碎和二次破碎更加充分,导致金属粉末粒径减小,但雾化压力增加到一定程度,会使导流管下方回流区面积增加影响粉末形貌。此外,随着熔炼功率的增加TA15钛合金溶液过热度增加,改善其黏度逐渐提高了粉末收得率,由25 k W时的26%增加为40 kW的42%。从粉末收得率、粒度和形貌等因素综合考虑,适合TA15钛合金粉末的最佳制备工艺参数为:熔炼功率40 kW,气雾化压力4.4 MPa,此时细粉收得率为42%,粉末球形度高。

电极感应熔炼气雾化制备TA15粉末氧增量研究

采用电极感应熔炼气雾化(EIGA)技术制备TA15钛合金粉末,通过氧、氮、氢分析仪检测粉末氧含量,研究气雾化设备真空度、压升率和气流分级机气体温度对TA15粉末氧增量的影响。结果表明:对TA15粉末氧增量的影响因素中,设备压升率>设备真空度>筛分气体温度,当设备的真空度<10Pa、压升率为15Pa/h、气流机气体温度在25℃以下时,粒径为15~53μm的TA15粉末氧增量为436ppm(1ppm=10~(-6)),粉末氧含量为906ppm,满足增材制造TA15粉末的使用要求。

激光冲击强化对TA15钛合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

采用激光能量30 J、圆形光斑φ4 mm,冲击2次工艺对TA15钛合金小孔结构进行激光冲击强化,研究激光冲击强化对小孔结构残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:激光冲击强化后TA15钛合金表面显微硬度最高达402 HV,相对于母材提高了约9%且冲击硬化层深度为0.8 mm;激光冲击强化后在材料表面引入高达-908 MPa的残余压应力,相比于喷丸强化提高了54%;激光冲击强化残余压应力层深度可达1 mm,明显大于喷丸强化残余压应力层深度0.28 mm,较高的残余压应力可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,而较深的残余压应力层有利于降低裂纹扩展速率,延长裂纹扩展寿命。激光冲击强化可有效提高TA15钛合金小孔结构在385 MPa应力水平下的疲劳寿命,相比于未强化试样的疲劳寿命增益在86%~337%,明显优于喷丸强化后疲劳寿命增益。这是由于残余压应力可降低裂纹扩展的门槛值和裂纹尖端的有效应力强度因子,使疲劳裂纹源从孔内壁转移至试样的上/下表面,同时减小疲劳条带间距。

旋转超声铣削TA15钛合金的疲劳寿命实验研究

针对航空钛合金零件机加工后疲劳强度大幅降低的问题,提出基于旋转超声铣削的抗疲劳制造技术。基于变切削速度和变超声振幅的旋转超声铣削实验,探究传统工艺参数及超声振动参数对钛合金残余应力和疲劳寿命的影响规律。开展变疲劳加载频率的有无超声对比实验,验证了超声振动对钛合金疲劳强化效应的普适性。实验结果表明,随着切削速度的提高和超声能量的摄入,钛合金残余压应力增加,疲劳强化效应显著;相较于传统铣削,不同加载频率条件下的超声铣削可提高钛合金疲劳寿命20.3%。

电弧增材制造TA15钛合金的组织与性能研究

采用CMT电弧增材制造技术制备TA15钛合金堆积体,并对其显微组织和拉伸性能进行研究。结果表明:CMT电弧增材制造TA15钛合金堆积体成形良好,沿高度方向的宏观组织为外延生长的粗大β柱状晶,显微组织主要由网篮组织、片层组织组成。CMT电弧增材制造TA15钛合金堆积体在水平打印方向与增材高度方向的抗拉强度和屈服强度相差小,但增材高度方向的断后伸长率则优于水平打印方向。

刀具磨损后TA15钛合金加工表面残余应力测量

采用PVD涂层(AlTiN)硬质合金刀具对TA15钛合金(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)进行切削实验,在观测刀具的磨损形貌的同时采用激光小孔残余应力测试仪开展刀具磨损后加工表面残余应力研究。研究结果表明,TA15钛合金切削过程中刀具的主要磨损形式为后刀面磨损;刀具磨损显著影响已加工表面残余应力分布,刀具磨损量VB与加工引入的轴向残余应力最大值和平均值呈正相关;刀具处于稳定磨损阶段时,磨损速率较低,径向残余应力最大值和平均值较小,径向残余应力波动最小。实验现象及结论充实了该领域的切削机理研究。

TA15钛合金中板组织与力学性能研究

采用一次换向+四火次轧制、二次换向+四火次轧制和一次换向+三火次大变形轧制3种工艺制备了厚度10.0mm的TA15钛合金中板,研究了轧制工艺对板材显微组织和力学性能的影响。结果表明:3种TA15钛合金中板显微组织均为α+β两相区加工组织,但采用二次换向+四火次轧制的样品B显微组织中初生α相尺寸最为细小、等轴化程度最高;3种TA15钛合金板材室温和高温力学性能均符合GJB 2505A—2008标准要求,但采用一次换向+三火次大变形轧制的样品C室温和500℃高温抗拉强度横纵向差异最小,500℃高温持久性能最佳。

TA15钛合金高温摩擦磨损性能研究

目的 为探究TA15钛合金高温耐磨性能的潜力,研究了TA15钛合金在室温~800℃下的摩擦磨损性能。方法 利用Rtec摩擦磨损试验机(Rtec,San Jose,USA)进行TA15钛合金的摩擦磨损性能测试,通过激光共聚焦显微镜、JSM-7800F扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等手段,分析了TA15钛合金在不同温度下的磨痕形貌、成分变化以及磨损机理。结果 在不同试验温度下,微观组织没有出现明显变化,主要为等轴α相和β相;不同温度下的摩擦因数波动不大,从室温的0.279下降到600℃的0.224,而在800℃时,表面严重氧化导致摩擦因数增大到0.309;在室温~400℃时,试样表面磨痕不断变窄变浅,犁沟和磨屑不断减少,而到400℃以上时磨痕逐渐变宽,比磨损率也大幅增大,且在600℃时的磨损量最大;在600℃时,以氧化磨损为主,并伴随着磨粒磨损和黏着磨损,且表面磨痕形貌和宽度比较均匀;在800℃时磨损表面以黏着磨损和氧化磨损为主,并伴随着高温焊接的发生。结论 TA15合金表面的O元素含量随温度的升高而逐渐升高,并且氧化反应主要发生在β相内。随着试验温度的升高,TA15钛合金磨损表面的氧化磨损现象也更加明显。

TA15钛合金局部减重中空双层结构超塑成形/扩散连接工艺

在应变速率为0.001 s^(-1)、0.005 s^(-1)、0.01 s^(-1),温度为880℃、900℃、920℃、940℃的条件下对TA15钛合金进行了高温拉伸试验,材料在920℃以上、0.005 s^(-1)以下的延伸率可超过500%,具有优异的超塑性能。计算了TA15钛合金的本构方程及在应变速率为0.005 s^(-1)时,不同温度下的应变敏感性指数m值和材料常数K值。通过超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺,采用有限元模拟对双层结构件的壁厚分布进行分析,并获得了气压加载压力–时间曲线。在温度为920℃时,采用预镂空面板制得了局部减重的中空双层结构件,最小壁厚为0.31 mm,采用超声波C扫描对零件的扩散面积进行分析,结果表明,焊合率高于95%。

化学铣切参数对TA15钛合金XRD的影响

为研究化学铣切参数对TA15钛合金组织结构的影响,分别研究了搅拌速度、溶液配比、摆放位置、化铣时间、添加剂含量和化铣温度等对TA15钛合金组织结构的影响,并以XRD来表征。结果表明:增加搅拌速率、溶液配比、化铣时间和化铣温度都会使得化铣之后α相的含量减少,β相的含量增加;摆放位置和添加剂对TA15钛合金表层组织结构的影响较小。