铝中间层对TA2/5083爆炸焊接影响的数值模拟

为研究添加中间层对TA2/5083爆炸焊接的影响,分别选取0.3 mm和0.5 mm厚度的1060铝中间层,利用ANSYS/LS-DYNA软件结合ALE算法建立三维数值模型,分别模拟出添加0.3 mm和0.5 mm厚度1060铝中间层的焊接过程,与直接爆炸焊接TA2和5083复合板进行对比。模拟结果表明:选择适当厚度的1060铝中间层,能有效减少基板所受碰撞压力,让爆炸焊接过程更加平稳;结合建立的爆炸复合窗口,添加中间层能大大扩展可焊接窗口,减小碰撞速度,模拟结果更加接近理论碰撞速度,使复板以更佳的飞行速度与基板结合;0.3 mm厚度中间层复合板的焊接质量高于0.5 mm厚度中间层高于无中间层的,模拟与实验吻合较好,添加合适厚度的中间层1060能大程度提高TA2/5083复合质量。

TA2纯钛薄板微流道液压成形工艺研究

双极板是氢燃料电池的重要部件之一,钛作为金属双极板基材有诸多优势,但钛的成形性能差、回弹较为严重,本文以0.1 mm TA2纯钛薄板微流道液压成形为研究对象,通过试验和有限元模拟相结合的方法研究纯钛微结构变形行为,分析工艺参数对微流道成形质量的影响规律,为液压成形钛双极板提供参考。建立了TA2纯钛薄板微流道液压成形的有限元模型,通过与试验件的轮廓及厚度分布验证有限元模型的准确性;研究了液体压力、加载速率和脉动加载对微流道成形的影响。结果表明,微流道液压成形过程中材料应变路径为平面应变,且上圆角位置最容易破裂;加载速率对微流道成形影响不大,随着加载速率的提高,成形深度略有下降,但是变化不大,仅有3%;脉动加载路径能够提高材料的流动变形能力,在均为临界破裂情况下,相比较线性加载路径成形深度有较高的提高,可达232.2μm,提高幅度为23%。

TA2/Q235B复合板不同作用面成形极限及界面损伤行为

采用Nakazima实验法对不同尺寸的退火态TA2/Q235B复合板样品进行胀形实验,研究不同作用面对TA2/Q235B复合板的成形极限和界面损伤行为的影响。结果表明,当凹模与碳钢侧接触时,由于接触材料、界面变形协调能力和应变状态的不同,复合板的胀形高度和成形极限增加,其中R140试样的极限拱高达到最大值(46.17 mm),R60和R180试样在3个方向上的厚度减薄量和界面裂纹更大。此外,由于硬度和拉应力不同,两组样品中所有的水平和斜向孔都向纯钛侧延伸。

TA2钛管挤轧成形金属变形规律及工艺优化

采用挤轧成形工艺制备TA2钛管,建立了TA2钛管挤轧成形有限元仿真模型,研究了管坯在挤轧成形工艺中的变形过程;探究了轧辊送进角、轧辊公转速度和管坯前进速度对挤轧成形后管坯尺寸精度的影响规律;以管坯几何尺寸精度为评价依据,通过正交模拟试验得到钛管挤轧成形的最优工艺参数。结果表明,管坯的径向应变、周向应变以及轴向应变在挤轧变形区内呈明显三角分布;送进角过大和过小均使得管坯的尺寸偏差增大,管坯的尺寸偏差随着轧辊公转速度的增大而增大,管坯前进速度过小会导致管坯成形质量变差;最优的挤轧工艺参数为送进角6°,轧辊公转速度150 r·min^(-1),管坯前进速度5 mm·s^(-1);基于优化的挤轧工艺参数,成功挤轧出质量良好的TA2钛管。

TA2+Q345B轧制复合板覆层腐蚀特性研究

钛/钢轧制复合板因其优异的耐蚀性和结构性能而广泛应用于化工、海事等领域。因复合板轧制工艺需兼顾钛/钢两者特性而与单一材质的传统生产工艺有所差别,且在冶金结合界面处元素互扩散是否对覆层TA2组织及腐蚀性能产生影响待研究。通过组织观察、能谱测试和电化学腐蚀试验,研究了界面元素互扩散对覆层TA2组织及腐蚀性能的影响。结果表明:冶金结合界面处元素的互扩散距离仅为8~10μm,不足以影响整个覆层组织;覆层TA2耐腐蚀膜成膜初期存在反复腐蚀,但随着静置时间延长而逐渐稳定,不再发生腐蚀。

TA2板材焊接接头组织及性能研究

采用TIG焊对10 mm厚TA2板材进行对接试验,通过无损检测、微观组织、力学性能及电化学腐蚀等试验,对焊接接头组织及性能进行研究。结果表明,焊接接头无损检测未发现缺陷,焊接接头抗拉强度为492 MPa、480 MPa;弯曲性能良好,TA2母材和热影响区平均吸收能量为140~150 J,焊缝区域的平均冲击吸收能量最低,为90~100 J;焊缝区域的最高硬度值178HV_(1.0),高于热影响区及母材区域的最高硬度值,母材区域的硬度值最低为164HV_(1.0);TA2母材组织为等轴α相,热影响区组织为粗大的α相+不规则锯齿状α相,焊缝组织中存在针状马氏体(α′相);在10%HCl溶液和10%NaCl溶液中,TA2母材电化学腐蚀性能优于TA2焊接接头电化学腐蚀性能。

非对称循环载荷下TA2工业纯钛疲劳损伤行为的预测

对TA2工业纯钛进行应力控制的非对称载荷疲劳试验,研究了不同最大应力(245,253,270,300 MPa)下纯钛的疲劳寿命和断口形貌,分析了非对称循环载荷下的应变演变以及应力-应变响应;基于连续损伤力学理论,建立了基于棘轮应变和总应变能密度的疲劳损伤演变预测模型,对纯钛的疲劳损伤过程进行预测,并与试验结果进行对比。结果表明:随着最大应力的降低,TA2工业纯钛的疲劳寿命延长。当最大应力为245,253 MPa时,塑性韧断区面积较小,断口中出现疲劳裂纹扩展区,失效机制为疲劳开裂及裂纹扩展失效,疲劳应变演变由加载初始阶段、稳定阶段和失效阶段组成,随最大应力的增加,塑性应变能密度以及相同疲劳寿命对应的平均应变均增大。当最大应力为270,300 MPa时,断口主要由纤维状的塑性韧断区组成,失效机制为循环塑性大变形失效,此时疲劳应变演化的稳定阶段不明显,随最大应力的增加,塑性应变能密度增大幅度较大,且当循环次数达到70%疲劳寿命时,270 MPa最大应力下的平均应变较大。基于棘轮应变的疲劳损伤演变预测模型对于疲劳中后期(循环次数不低于40%疲劳寿命)损伤值的预测效果较好,最大相对误差不超过12.5%;基于总应变能密度的疲劳损伤演变预测模型预测的损伤值相对误差基本在23%以内,整体预测稳定性较差。

TA2轧制板材的组织与拉伸性能研究

对电子束(EB)炉熔炼扁锭轧制TA2板材进行退火处理、拉伸性能测试以及断口微观形貌观察,研究板材经不同退火温度处理后的组织和拉伸性能关系。结果表明:板材经不同温度退火处理后,金相组织有一定变化,随着退火温度的不断升高,组织中的晶粒逐渐开始等轴化,并且不断长大。板材的强度与塑性呈现相反趋势,其中强度随着退火温度的升高而先降低再升高,塑性随着退火温度的升高而先升高再降低。经不同退火温度处理后的板材拉伸断口微观形貌大体一致,均为大量等轴韧窝。

基于压痕蠕变试验的TA2蠕变特性及变形规律分析

随着TA2在化工、海洋、电力等领域中的广泛应用,合理评价其蠕变变形对于相关设备的安全稳定运行具有重要的意义。为了探究TA2蠕变行为,开展不同条件下的平头压痕蠕变试验研究,分析TA2压痕蠕变变形特性,并探究蠕变损伤对TA2变形规律的影响。结果表明:从20到300℃,TA2均出现显著的压痕蠕变变形。随着温度或载荷的升高,蠕变变形速率逐步增大,蠕变变形在整体变形中占比更大。在低载荷条件下,TA2蠕变变形并不显著,但是随着温度的上升,产生显著压痕蠕变变形所需载荷会逐步下降。幂律方程可以较好地描述TA2压痕蠕变变形的第一阶段,且系数a具有显著的蠕变相关性。随着蠕变载荷、温度的升高,系数a逐步上升;而相比于新材料,相同条件下的蠕变损伤材料蠕变变形更小,a更小。以此为基础,建立拟合参数与蠕变参数之间的关系。当蠕变变形较大时,压头下方的试样微观组织存在明显的区域性变化。在距离压头下方约0.15~0.50 mm处,材料硬度上升,晶粒显著变形并呈半球形分布;相似的,在上表面的接触边界区域也呈现硬度上升规律。

激光-感应加热技术焊接TA2/304不锈钢和TA2/T2复合板研究

针对TA2/304不锈钢(SS)和TA2/T2复合板在焊接过程中过渡层易生成脆性的Ti-Fe、Ti-Cu金属间化合物而降低焊接接头的性能的问题,使用激光-感应加热焊接技术连接复合板。对基层金属TA2使用激光对接焊,使用感应加热设备熔化BCuP-2焊丝填充坡口并连接复层金属304 SS和T2。由于TA2与BCuP-2焊丝之间的熔点差异较大,在感应加热熔化焊丝过程中不会熔化基层金属TA2母材及其焊缝,只在与基层焊缝处发生少量的元素扩散并形成一个很窄的过渡层。在过渡层未形成脆性的Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物。通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了焊接接头的微观结构和组成成分。过渡层主要由Cu、Cu3P和α-Ti组成。沿垂直于焊缝方向取试件进行拉伸试验,接头的抗拉强度为600 MPa。

微观组织对TA2和TC4氢损伤行为的影响

钛及钛合金表面的致密钝化膜使其在苛刻服役环境中仍然具有十分优异的耐蚀性。但钛与氢的亲和力极强,易发生氢损伤,且不同微观结构的钛合金对氢损伤的敏感性不同。本文通过阴极充氢实验,对比了工业纯钛TA2和钛合金TC4的氢损伤行为,采用扫描电镜(SEM)观察样品的腐蚀形貌,通过开路电位(OCP)、动极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)对比两种材料充氢后耐蚀性。结果表明:充氢前TA2和TC4在3.5%NaCl溶液中均有良好的耐蚀性,充氢后两者耐蚀性均明显下降,这与材料表面致密钝化膜转变为疏松氢化钛膜有关。与TC4合金相比,氢对TA2的损伤作用更大。这是因为氢在α相中的固溶度远小在β相中的,TA2为单相α组织,氢主要与其表面钝化膜发生反应,因此对TA2表面钝化膜的破坏性更强。

TIG电弧辅助激光焊TA2直缝薄壁焊管的组织性能研究

为解决纯钛TA2直缝管在钨极氩弧焊(TIG)高速焊接时出现的咬边、驼峰成形缺陷等问题,提出了TIG在前的电弧辅助激光焊工艺。针对φ19 mm×0.7 mm的TA2直缝焊管,对单TIG自熔焊和TIG电弧辅助激光焊采用不同的热源模式,采用Abaqus软件建立焊接有限元模型,对比分析了这两种焊接过程中的温度循环曲线和焊后残余应力,并对得试验到的TA2薄壁焊管进行了显微组织分析及性能测试。结果表明:模拟所得的两种接头的焊缝轮廓尺寸与实际接头轮廓相近,TIG电弧辅助激光焊接时焊缝中心温度、焊后Von Mises应力低于TIG焊接的。与TIG焊相比,TIG电弧辅助激光焊的焊缝中心及热影响区的显微组织更小,抗拉强度、伸长率基本持平,屈服强度更高。在获得良好焊缝成形的条件下,采用TIG电弧在前的电弧辅助激光焊方法可以获得较高的焊缝质量。

多道次热压缩对层状TA2纯钛组织与性能的影响

使用Gleeble-1500热力学模拟测试机,分别在860℃与830℃下对过冷β组织的TA2纯钛进行了压缩量为10%~60%、应变速率为10 s^(-1)的五道次热压缩实验。结果表明,随着压缩量的增加,TA2纯钛的板条组织变细并破碎变短。当压缩量达到50%时,出现细小的等轴晶粒。对压缩量为0%~30%的试样进行拉伸性能测试,结果显示,随着压缩量的增加,材料的强度与塑性协同提升,抗拉强度由初始的444 MPa提升至566 MPa,延伸率由初始的20%提升至28%。对压缩试样进行电子背散射衍射(EBSD)观察,可以观察到少量孪晶,还在极图中发现了棱锥织构。

TA2工业纯钛切削加工性能的试验研究

切削力和表面粗糙度是衡量切削加工性能的重要指标,并在很大程度上影响工件的加工精度。针对TA2材料进行干式车削,测量和分析切削力和工件表面粗糙度,研究两者随切削用量变化规律,并建立预测模型进行回归分析检验。单因素结果显示:随进给量或背吃刀量的增大,切削力和粗糙度近似线性增长,呈正相关;而切削力随切削速度变化平稳,表面粗糙度则呈现先增后降的趋势。极差结果表明:随进给量的变化,切向力受影响最显著,径向力对背吃刀量最敏感;进给量对表面粗糙度影响最严重;在切削过程中,应尽量采取高转速、低进给量和背吃刀量。

工业纯钛TA2在液体推进剂单推-3中的耐蚀机理

发动机贮箱长寿命服役是航天技术发展的必然要求,工业纯钛TA2是火箭发动机重要结构材料之一,然而该材料与液体推进剂的长期相容性机理仍缺乏深入的研究,难以满足推进剂贮箱长寿命评估的需要。针对典型液体推进剂单推-3(DT-3),采用电化学方法研究工业纯钛TA2在液体推进剂DT-3中的电化学腐蚀行为,应用扫描电镜(SEM)、光电子能谱(XPS)分析TA2表面钝化膜的结构特征。动电位极化曲线测试表明,TA2在DT-3中自腐蚀电流密度为58 nA/cm^(2),腐蚀速率约为0.5μm/a,点蚀电位为2.15 V,耐点蚀能力强;具有两段钝化电位区,在点蚀电位下,肼和硝酸肼对TA2钝化膜的破裂溶解过程具有协同效应。交流阻抗谱测试表明,TA2表面钝化膜具有很高的反应阻抗,抗均匀腐蚀性能良好,且随着阳极电位的升高,表面钝化反应机理一致。氧化膜XPS分析表明,较高钝化电位下形成的钝化膜更完善,形成的是外层为TiO_(2),内层为Ti_(2)O_(3)、TiO的双层结构特征的钝化膜。获得的TA2在DT-3中的电化学腐蚀机理对贮箱寿命评估具有重要指导作用。

TA2管子管板自动TIG焊工艺研究

采用自动TIG焊对TA2管子管板进行试验,通过焊前清理、焊接工装、坡口形式、焊接参数、焊接顺序、焊后无损检测、宏观检测及力学性能等试验,对焊接接头进行研究,结果表明:焊前使用无水乙醇对换热管与管板焊接区域及周围母材进行清理;焊接时使用大直径喷嘴进行保护,同时结合气体保护工装对换热管内部进行保护;采用J型坡口可保证焊接接头根部良好熔合;在保证根部充分熔合的情况下,使用小电流焊接参数进行焊接;焊接时在周围换热管内部插入冷却工装,采用跳焊的焊接方式进行焊接;通过上述措施可保证TA2管子管板焊接接头质量,可用于产品生产制造。

小孔TIG焊技术在中大厚度TA2板上的应用研究

分别对16 mm及30 mm厚TA2板进行了小孔TIG焊工艺试验,研究了工艺参数对焊缝成型、内部质量及接头组织性能的影响。结果表明,采用优化的小孔TIG焊工艺可以实现不开坡口16 mm厚TA2板的单面焊双面成型,大的焊接电流导致焊缝组织较母材的粗大,接头与母材相比出现轻微硬化;对于30 mm厚Y型坡口的试板,采用小孔TIG焊从背面打底可以完成14 mm钝边的熔透焊,从正面打底可以完成10 mm钝边的熔透焊,打底焊道美观,内部质量优,可直接采用常规TIG焊工艺进行填充盖面。单一小孔TIG或与常规TIG的组合焊工艺制备的中大厚度TA2板接头强度与母材的相当,力学性能良好。

退火温度对EB炉熔炼扁锭轧制TA2板材组织与力学性能的影响

对EB炉熔炼扁锭轧制TA2板材进行退火处理,使用金相显微镜、力学性能和冲击性能试验,对板材在不同退火温度下的显微组织和力学性能进行研究。结果表明:随着退火温度升高,金相组织中轧制变形的条状α晶粒逐渐减小并消失且有少量细小再结晶晶粒出现。当温度为800℃时,晶粒明显等轴化,板材中部再结晶晶粒较模糊,其纵向晶粒较横向晶粒更加细小均匀;温度为850~900℃时,组织中的小晶粒开始长大,并有残余β相出现。板材力学强度随着退火温度的升高呈现出先降低再升高的趋势,塑性呈现出与强度相反趋势。在900℃退火后强度值最大,抗拉强度为570 MPa,屈服强度为460 MPa,而塑性值在800℃完全再结晶时最大,其伸长率为28%。冲击韧性随着退火温度的升高呈现先升高再降低的趋势,在800℃时冲击韧性达到最大值203 J/cm^(2)。

再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响

使用二辊轧机对TA2工业纯钛进行多道次大应变冷轧处理,制备了冷轧总变形量为70%的TA2纯钛板。通过对冷轧TA2纯钛板进行500℃加热、不同保温时间的退火处理,获得了具有不同再结晶组织的钛板。基于帽形试样和限位环变形控制技术,在分离式霍普金森压杆装置上对不同再结晶组织的试样进行动态冲击冻结实验,结合光学显微镜和扫描电子显微镜表征试样冲击前后微观组织的变化,研究了再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响。结果表明,随着退火保温时间的延长,试样再结晶晶粒占比逐渐增大,晶粒分布由分散向局部聚集转变;在相同应变和应变率下,在所有试样中都观察到了绝热剪切带,再结晶晶粒占比高的试样更易诱发绝热剪切带中裂纹形核扩展。对比变形前后试样再结晶组织和几何必需位错变化,结合剪切区整体温升分析发现,再结晶晶粒作为材料软化点能够诱发剪切带的形成,而剪切带发展后期产生的绝热温升会促进剪切带内材料发生二次再结晶,提高剪切带内材料的韧性,延缓剪切裂纹的形成。

TA2纯钛激光同轴送丝增材制造组织和性能研究

探讨了单向平行、蛇形往复和蛇形正交3种不同路径下利用激光同轴送丝增材制造技术制备的TA2纯钛试件微观组织和力学性能的差异。结果表明,在合适的工艺参数下,可以实现TA2纯钛激光同轴送丝增材制造的良好成形,试件表面呈银白色,其横、纵向力学性能均可达到GB/T 3621-2022对TA2纯钛板材的要求;3种路径下制造过程的热输入和散热条件类似,焊缝微观组织均为锯齿状α相。不同增材路径下的焊道熔合形貌不同,力学性能差异较大,其中单向平行和蛇形往复路径试件的各向异性较强,蛇形正交路径试件的各向同性较强;单向平行路径试件的纵向抗拉强度和屈服强度均最高,蛇形正交路径试件的横向断后伸长率较高,塑性较好。