浅析航空用高强TA18钛合金管材组织和性能影响因素

TA18钛合金凭借优异的综合性能成为航空航天管路系统的首选材料,虽然中强级别的TA18钛合金管材已实现批量化生产及产业化应用,但随着我国航空工业的快速发展,对液压管路系统在更高工作压力下服役的安全性和可靠性提出了迫切需求。介绍了TA18钛合金的特点以及研发、推广情况,阐述了材料成分、管坯制备、轧制工艺、热处理对TA18钛合金管材质量、组织和性能的影响,指出了我国在批量化制备高强TA18钛合金管材过程中所存在的诸多问题,并给出了今后的发展方向。

航空航天用TA18钛合金管材研究进展

本文简要分析了TA18(Ti-3Al-2.5V)在国内外航空航天领域的研究进展及存在的部分加工技术难题。随着我国航空航天等高科技领域的快速发展,对于高性能、高精度、高成形性的TA18钛合金管材的需求正逐步增加,目前国内中高强的TA18管材已经开始应用,但其织构控制、显微组织控制、轧制工艺、薄壁管弯曲成形等加工技术尚需要进一步突破,并对其发展提出了展望。

不同Q值冷轧对TA18钛合金管材织构及力学性能的影响

研究不同Q值冷轧工艺对高强TA18钛合金管材织构及力学性能的影响。测试比较了两种工艺获得的管材的拉伸性能、CSR值和(0002)面极图、ODF截图。结果表明,冷轧加工TA18钛合金管材的Q>1时,管材径向压力占优势,会形成晶向[0002]与管材径向平行的织构,以径向织构为主的管材综合性能较好,可满足AMS标准要求;当冷轧加工TA18钛合金管材的Q<1时,切向压力占优势,会形成晶向[0002]与管材切向平行的织构,以切向织构为主的管材塑性较差,无法满足AMS标准要求。

冷轧工艺参数对TA18钛合金管材金属流动及成形载荷的影响规律

管材周期式冷轧成形过程是一个复杂的减径、减壁过程,由于轧辊孔型复杂,轧制过程中管坯的塑性变形也较复杂,各种成形工艺参数的选择往往都是经长期实践经验积累得到的,对轧制过程缺乏规律性的认识及定量的分析。本研究则借助三维有限元软件DEFORM-3D再现了冷轧成形过程,对成形过程中金属的流动情况、管材的应力应变分布以及成形载荷进行了深入分析。结果表明:轧制速度和摩擦系数增大会引起径向拉应变和环向压应变减小,送进量增加则使得两者均增大。此外,送进量和摩擦系数增大会显著增加成形载荷。

模具与管材不同配合条件下中强TA18厚壁钛管数控弯曲变形行为

采用基于ABAQUS建立的中强TA18钛合金厚壁管数控弯曲有限元模型,研究了不同配合参数条件下中强TA18钛合金厚壁管数控弯曲过程中的壁厚变化和截面扁化行为,确定了适合于中强TA18厚壁管数控弯曲的压力模、弯曲模与管材间隙和摩擦的选取原则。结果表明,压力模和弯曲模与管材的间隙,对壁厚增厚率的影响较减薄率的影响显著,过大的压力模与管坯间隙会造成内侧小凸包缺陷,过大的弯曲模与管材间隙会造成外侧壁的严重塌陷。因此,弯曲模和压力模与管材的间隙应取较小的值;压力模和弯曲模与管材间的摩擦,对壁厚变化和截面扁化影响不大,因此,压力模和弯曲模与管材间可选用航空润滑油或拉深油进行润滑。

飞机液压系统用TA18钛合金管材性能特殊性研究

给出了收缩应变比(CSR)的测试原理及方法,研究了CSR与TA18钛合金管材织构、拉伸性能之间的关系。结果表明,TA18钛合金管材的织构越强,管材的CSR值也会越高。通过研究TA18钛合金管材在不同温度下的拉伸性能,发现随着温度的降低,TA18钛合金管材的强度、塑性均升高,这主要与其在不同温度下的塑性变形机制有关。TA18钛合金管材的CSR值与屈强比、伸长率成正比关系,提高管材的屈强比、伸长率可提高CSR值。通过对TA18钛合金管材的CSR值进行测定,可以反映管材径向和周向的变形性能,解决了管材径向和周向性能评价难题。

TA18钛合金管冷轧开裂原因分析

通过宏观检查、化学成分分析、金相检验、断口扫描和硬度测试对某批TA18钛合金管材在冷轧时发生开裂的原因进行了分析。结果表明:该TA18钛合金管材冷轧开裂主要是因为熔炼中添加了铁钉,造成局部Fe元素含量偏高,导致材料局部硬度偏大、性能不均。

航空航天用TA18钛合金管材的研发及应用

简要介绍了TA18管材在国内外的研究发展和应用现状,分析了我国与国外在该管材研制技术、标准制定及应用方面的差距。美国在航空用TA18钛合金管材方面已有一系列标准,并不断加以修订、完善,且有成熟的生产技术,在航空航天领域广泛应用。我国中强级TA18钛合金管材已有应用,而高强级TA18钛合金管材的应用尚属空白。通过近几年的研究,国内高强级TA18管材的研制已经取得重大突破,有望在2～3年内实现国产化。

间隙对TA18高强钛管数控弯曲成形截面畸变及壁厚变化的影响

基于ABAQUS/Explicit平台,建立了TA18高强钛管数控弯曲成形过程三维有限元模型,并验证了模型的可靠性;采用该模型模拟分析了模具与管材之间的间隙对TA18高强钛管数控弯曲成形截面畸变和壁厚变化的影响规律。结果表明:减小芯棒/管材的间隙、弯曲模/管材的间隙和压块/管材的间隙可以降低截面畸变程度;减小弯曲模/管材的间隙、压块/管材的间隙或增加芯棒/管材的间隙可以减小壁厚减薄率;增大弯曲模/管材的间隙、芯棒/管材的间隙和压块/管材的间隙可以降低壁厚增厚率;防皱块/管材的间隙对截面畸变和壁厚变化影响不大。获得了较佳的芯棒/管材的间隙值、弯曲模/管材的间隙值、压块/管材的间隙值和防皱块/管材的间隙值,分别为0.075、0.1、0.1和0.1 mm。

石油行业用TA18钛合金厚壁管材的研制

石油行业用TA18钛合金厚壁管材的轧制难度较大,易出现表面开裂等现象,为此提出了2种不同冷轧工艺并对其轧制过程及效果进行了对比。此外,还研究了退火温度对管材性能和组织的影响。结果表明:采用两辊冷轧配合热矫直方法,可以缩短生产周期,提高生产效率,最终获得室温力学性能满足客户指标要求的TA18厚壁管材,且平直度可以达到0.75 mm/m左右,内表面粗糙度平均为0.864μm。

TA18钛合金管收缩应变比的测定及其影响因素

对TA18钛合金管收缩应变比r_(CS)的测定原理和方法进行了探讨,同时分析了影响r_(CS)测定的几种因素。结果表明:取样长度、热处理状态、拉伸速率和伸长率终止条件等因素均对r_(CS)的测定结果有显著影响,导致r_(CS)测定结果偏低或重现性较差。对于本试验φ12 mm×0.8 mm的TA18钛合管,其r_(CS)测定合适的试验条件如下:试样热处理状态为退火态,取样长度为150 mm,两端堵头长度为30 mm,拉伸速率为1 mm·min^(-1)或2 mm·min^(-1),试验终止条件为7%伸长率。

TA18钛合金管材多行程皮尔格冷轧过程三维有限元模拟:I理论解析、模型建立与验证

皮尔格冷轧技术制备的TA18钛合金管材具有高比强度、冷加工性能好、织构分布合理等优异的综合性能,在飞机和航天器液压管路系统、石油勘探钻杆中得到了广泛的应用。根据多行程皮尔格冷轧过程力学分析,获得了成形过程的精确运动模式和管材应力状态。然后,基于有限元软件ABAQUS/Explicit,建立了TA18钛合金管材多行程皮尔格冷轧三维有限元模型,并解决了建模关键技术,包括:虚拟曲柄连杆机构实现方法、多行程周期式运动控制方法、复杂模具几何实体定义、滚动与滑动摩擦定义。利用能量守恒原理和实验验证了模型的可靠性,以及利用成形过程等效应力和等效塑性应变分布评估了模型。

TA18钛合金导管的内径滚压连接工艺

针对TA18钛合金导管开展了内径滚压连接工艺研究,研制了基于扭矩控制的滚压连接专用设备,实现了难变形钛合金导管的内径滚压连接成形;同时掌握了成形扭矩与连接件管端伸出量和连接件内径的关系,指出管端伸出量和连接件内径与成形扭矩呈线性递增关系,确定了最佳成形扭矩;采用痕迹法作为连接组件配合面密接度的检测试验方法,检测结果表明,管套与堵头之间的密封面沿圆周无间断,密接度达到100%。所研制的钛合金导管内径滚压连接件通过了配合面密接度检测和28 MPa液压系统性能验证,达到了28 MPa液压系统的性能要求。

TA18中强钛合金管数控弯曲成形工艺与结构参数显著性分析

基于ABAQUS平台建立了TA18中强钛合金管数控弯曲成形过程的有限元模型,并对模型进行了可靠性评估。通过虚拟正交试验,研究了结构参数与工艺参数对TA18中强钛合金管数控弯曲成形工艺影响的显著性。从壁厚减薄率、截面畸变率、壁厚增厚率、回弹角这4个方面综合研究分析表明,不同因素对TA18中强钛合金管弯曲成形的影响程度依次为:相对弯曲半径、弯曲角度、芯棒伸出量、芯棒与管间隙、弯曲速度、芯棒与管之间的摩擦系数、压块与管之间的摩擦系数。在本文所选参数水平中,当结构参数为相对弯曲半径r/d=3.0、弯曲速度v=0.8 rad·s^(-1),以及工艺参数为弯曲角度θ=90°、芯棒伸出量e=3 mm、芯棒与管间隙δ=0.3 mm、芯棒与管之间的摩擦系数f_(1)=0.2、压块与管之间的摩擦系数f_(2)=0.2时,TA18中强钛合金管数控弯曲成形的质量最好。

材料性能波动下高强TA18钛管绕弯过程截面畸变行为分析

为了研究材料性能参数对管材数控绕弯过程截面畸变的影响规律及敏感性大小,基于ABAQUS非线性有限元平台,建立了高强TA18钛管数控绕弯成形过程有限元模型,并通过文献中的实验结果验证了模型的可靠性,然后采用该模型模拟研究了材料性能波动下高强TA18钛管数控绕弯成形过程的截面畸变行为。结果表明:截面畸变率随着弹性模量、硬化指数的增加或强度系数、厚向异性指数的减小而减小,其减小率分别为11.76%,23.67%,12.07%和23.51%;不同材料性能参数波动下,高强TA18钛管绕弯过程截面畸变率的最大值均小于4.00%,并且在弯曲平面附近,截面畸变率出现负值;截面畸变率对材料性能参数的敏感性大小依次为强度系数、弹性模量、硬化指数和厚向异性指数。

航空用TA18管材加工工艺研究

通过选用不同成分配比的TA18管材,对其进行轧制,在不同变形量、不同退火温度下,研究其成分、变形量、退火温度与力性之间的关系,得出了不同成分与力性的关系、不同变形量与力性的关系曲线、不同退火温度与力性的关系曲线,发现其成分中V,Al含量的变化对力性会产生不同的影响,Al对强度的提高和塑性的下降影响较大;当化学成分(质量分数,%)在一定的范围(Al:2.8～3.2,V:2.30～2.70,O:0.07～0.09)时,利用基本相同变形量(50%～70%),且变形时Q≤1.14时,采取两种不同的退火制度(380～580℃,650～750℃),可以得到满足现有美标及军标标准要求的强度级别的TA18管材。