TC18合金板材热变形组织演变及其软化机制的研究

采用Gleeble-3800热模拟试验机对TC18合金进行压缩试验,模拟TC18合金板材的轧制过程。结果表明:当形变温度低于相转变温度时,高应变速率下TC18合金的组织中条状α相球化程度较低,α相被拉长,扭曲;当形变温度高于相转变温度时,高应变速率下TC18合金的组织中动态再结晶不完全,部分原始β晶粒沿与压缩轴垂直方向拉长,观察到不完整的平直的β晶界。通过分析峰值应力与变形温度曲线和动态软化曲线,在TC18合金在热变形时,最佳变形区为α+β两相区。

TC18合金高温动态力学行为表征

采用电子万能试验机对TC18合金进行常温准静态压缩实验,得到合金在准静态下的实验数据,根据实验数据,选用分离式Hopkinson压杆对TC18合金在温度分别为298 K、523 K、773 K和1023 K,应变率分别为500s^-1、1000s^-1和1500s^-1下进行动态力学性能实验,得到合金在高温动态压缩条件下的应力-应变曲线。在Johnson-Cook模型的基础上,通过考虑应变、应变率和温度的耦合效应,建立修正的Johnson-Cook模型对TC18合金的高温动态力学性能进行表征,模型预测结果与实验结果吻合良好,表明修正的Johnson-Cook模型能够更精确地表征TC18合金在高温下的流动应力。

镦粗变形对TC18合金锻件组织和性能的影响

研究了镦粗变形对TC18合金锻件组织和性能的影响。结果表明:由于不同镦粗变形区的变形程度和冷却速度不同,显微组织由锻件边部均匀的等轴α过渡到锻件中心细网篮组织;同时强度升高,塑性降低。

热处理对TC18合金显微组织和力学性能的影响

研究了(α+β)相区等温锻造后β热处理、双重退火工艺对TC18钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,在(α+β)相区锻造后采用β热处理,形成粗大β晶粒,引起"β脆性",强度和断裂韧性较高,塑性急剧降低,不能满足技术要求,有待进一步研究;采用双重退火热处理,强度稍低,塑性和断裂韧性均较好,综合性能较好。

跨相区等温锻造对TC18合金组织和性能的影响

研究了跨相区等温锻造时不同变形量分配对TC18钛合金显微组织和力学性能的影响,讨论了跨相区锻造组织和性能之间的关系。结果表明:跨相区等温锻造锻件的显微组织与两相区变形量密切相关。两相区较小变形时,显微组织和单相区接近,晶界α明显,锻件力学性能和全β锻造没有太大差别;两相区较大变形时,锻件的显微组织趋于不均匀,片状α相和球状α相同时存在,锻件强度升高,塑性基本保持不变,断裂韧性较两相区较小变形时明显下降。

TC18合金热压缩变形行为研究

本文利用热压缩法研究了TC18合金的热变形行为,并计算了合金在α+β两相区和β单相区变形激活能,得到了相应的流变应力本构方程。研究结果表明,TC18钛合金在α+β双相区变形时,在较低温度和较高应变速率条件下流变曲线呈现典型的单一峰值的再结晶,并且随变形温度的提高,出现多峰值的再结晶的特征;TC18钛合金在β单相区变形时,流变曲线出现了较长的平缓阶段,而后在较大应变时出现了标志再结晶的峰值应力;经计算得到TC18钛合金β单相区的变形激活能为260.84kJ/mol,α+β双相区的应变激活能336.356kJ/mol。经过拟合得到了TC18钛合金在α+β双相区和β单相区变形的流变应力本构方程。

TC18合金动态力学行为研究

为分析和表征TC18合金的动态力学行为与性能,采用电子万能试验机对TC18合金进行了常温准静态压缩实验,得到合金在准静态下的实验数据,根据实验数据,选用分离式Hopkinson压杆对TC18合金在温度分别为298、523、773和1023K,应变率分别为500、1000和1500s-1下进行动态力学性能实验,得到了合金在高温动态压缩条件下的应力-应变曲线,分析了温度和应变率对TC18合金动态力学行为的影响。结果表明,在同一温度下,随着应变速率的增加,TC18合金的塑性应变明显增大,表现出一定的应变率增塑效应;在同一应变率下,随着温度的增加,材料的流变应力有显著的下降,表现出明显的热软化效应;在高应变率下的塑性变形过程中,应变率强化和热软化作用同时进行,当温度超过773K时,热软化作用大于应变率强化作用。

时效热处理对TC18钛合金组织及力学性能的影响

以TC18钛合金作为研究对象,采用固溶-时效工艺来调整其组织结构,结合X射线衍射(XRD)、金相(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等分析方法研究时效热处理和晶粒组织对TC18合金力学性能的影响。研究结果表明:铸态合金时效后屈服强度与固溶态的屈服强度相比有所提升,但塑性降低;在空冷固溶条件下,在温度为450℃、时效时间为4 h时,样品的屈服强度增至1 492 MPa,但其延伸率降低;当时效温度为600℃时,样品晶界附近和晶内处出现细纹状次生α相;次生α相的分布和宽度影响合金变形中位错的运动,降低合金强度,提升合金塑性。

航空用超大规格TC18钛合金棒材的制备及组织性能研究

经3次真空自耗电弧熔炼得到规格为φ720 mm的TC18钛合金铸锭,再经80 MN快锻机开坯锻造和多道次镦拔锻造,成功制备了航空用φ500 mm超大规格棒材,并对其组织均匀性及力学性能稳定性进行了评价分析。结果表明:TC18钛合金铸锭头、中、尾不同部位的主元素极差在0.1%以内,成分均匀性良好;TC18钛合金棒材不同部位的低倍组织均匀模糊,高倍组织呈现出典型的双态组织,且组织均匀一致性良好;棒材不同部位的力学性能差异较小,具有良好的性能稳定性。

基于机器学习的TC18钛合金起落架锻造成形工艺智能优化

针对TC18钛合金加工窗口窄、零件成形质量与性能的预测以及工艺参数的优化设计困难的问题,通过热压缩试验分析了TC18钛合金的热变形行为与微观组织演变规律。基于Bayesian算法优化构建了TC18钛合金热变形流动应力和微观组织演变的深度神经网络(DNN)模型。通过对UG和Deform的二次开发,完成了不同工艺参数下起落架锻造的自动建模与仿真,并建立了预锻件的尺寸-工艺-质量数据库。结合DNN和遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、快速非支配排序遗传算法(NSGA2)确定了最优的预锻件工艺参数。结果表明,采用NSGA2优化后锻件最大成形力R_(Tmax)可降低40.6%,目标截面的平均初生α相含量为0.207,接近最优含量20.0%。

TC18钛合金热锻成形摩擦系数的实验研究

在TC18钛合金热锻成形过程中,摩擦系数对锻件成品率和模具服役寿命有显著影响。为了精确测定不同工艺条件下的摩擦系数,基于工艺实验结合Deform-3D有限元分析的方法,通过建立摩擦系数标定曲线,测定了TC18钛合金圆环在不同润滑条件下镦粗过程中的摩擦系数,对温度场、应变场及金属流动状态进行了分析。结果表明,在TC18钛合金热锻成形工艺过程中,干摩擦条件下的摩擦系数最大,为0.70~0.80;复合润滑布条件下的摩擦系数最小,为0.30~0.40;在保温棉+纤维布的润滑条件下,摩擦系数为0.40;保温棉润滑条件下的摩擦系数为0.60~0.70。

TC18钛合金大规格棒材热变形行为研究进展

近年来,随着自由锻造装备大型化的不断发展,航空航天关键结构件用锻件的大型化需求急剧增长,大规格棒材的制备成为了科研及工业化生产的重点工作。TC18钛合金作为一类高合金化、热变形参数敏感型高强高韧钛合金,已逐步成为航空航天关键装备的核心结构材料,因此,其棒材的大型化成为了近年来研究及生产的重点方向。本文梳理了近年来TC18钛合金大规格棒材(Φ300~Φ500 mm)生产技术概况,综述了TC18钛合金热变形数值模拟的相关研究,分析铸锭熔炼、锻造成型及热处理工艺的现状,总结大规格棒材现存问题及解决方法。最后,展望原材料制备过程今后一段时间的研究重点,结合使用单位对TC18钛合金棒材的使用需求,力争在未来打通原材料和成品锻件的全流程制造工艺,实现工艺个性化设计、组织性能定量调控。

热处理温度对TC18钛合金微观组织与冲击性能的影响

对TC18钛合金棒材进行不同温度的热处理后随炉冷却,使用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、冲击试验机等设备分析热处理温度对合金微观组织、物相组成、冲击性能以及冲击断口微观形貌的影响。结果表明:TC18钛合金经不同温度热处理后,组织中α相尺寸大小、分布情况以及形貌均有不同程度的变化。在热处理温度升高的过程中,组织中大块状α相逐渐消失,长条状α相变得细小,并析出较多细小的针状α相。合金经不同温度热处理并炉冷后的组织中均形成α相以及β相,且随着热处理温度的升高,部分α相和β相的衍射峰强度增大,等轴状和条状α相会使裂纹扩展路径较为平顺,而针状α相与β相能够使合金在受到冲击时分散应力,避免应力集中导致脆裂。合金冲击性能随着热处理温度升高而逐渐降低,当热处理温度为835℃时,合金冲击性能最佳,其冲击吸收功为46J,冲击韧性为57J/cm^(2)。当热处理温度较低(835、855℃)时,合金的冲击断口微观形貌以大韧窝为主,且大韧窝中含有大量小韧窝;当热处理温度较高(875、895℃)时,断口韧窝尺寸变小,并有撕裂棱出现,且空洞尺寸有所增加。

一种TC18钛合金酸洗工艺的应用研究

钛合金酸洗是钛合金材料零件荧光检查前必不可少的一道工序,这种工艺对钛合金的增氢量和腐蚀去除量有着严格的要求。本文通过工艺试验,摸索出了一种添加了十二烷基硫酸钠抑制剂的TC18钛合金酸洗工艺方法。采用这种工艺方法酸洗后,试样的外观表面光滑,具有银白色或者银灰色的金属光泽,无腐蚀坑或未酸洗掉的斑点及氧化皮;增氢量能满足ASTME 1447的要求(≤0.002%)。腐蚀速率测试结果表明,对材料的腐蚀去除量可控制在0.005~0.01 mm范围内。

变形温度对TC18钛合金棒材组织及性能影响

本文对比分析了不同变形温度对TC18钛合金棒材低倍组织、显微组织、室温拉伸及断裂韧性的影响。结果表明,在T_((α-β))-5℃至T_((α-β))+15℃温度范围内加热锻造,可以得到网篮组织的TC18钛合金棒材,随着变形温度降低,晶内存在等轴α相,同时晶界α消失。随着变形温度降低,棒材断裂韧性随变形温度降低而降低,纵、横向室温力学性能在865℃时获得最优匹配。

TC18钛合金等温锻造过程的数值模拟

利用Deform-3D有限元分析软件对TC18钛合金等温锻造过程进行了计算模拟,主要研究变形温度和应变速率等工艺参数对等温变形过程中应变和应力分布的影响。研究发现,变形温度和应变速度对热变形有着重要的影响,700℃、820℃和900℃的有效应变分布具有相似特征,随着变形温度的升高,变形死区逐渐减小,而在820℃双相区变形和900℃的β单相区变形时,其有效应变分布基本相同;随着应变速率的提高,加大了最大主应力的数值并提高了试样中应力梯度,同时试样侧面拉应力的加大,也提高了自由变形拉应力下开裂的倾向。

超声加工TC18钛合金表面完整性试验研究

针对航空钛合金零件精加工后使役性能大幅降低问题,提出基于旋转超声加工的表面强化技术。通过旋转超声铣削试验探究了超声加工工艺参数对钛合金表面粗糙度、表面硬度和残余应力的影响规律,分析了高频低幅的超声振动对钛合金表面质量的作用机制。试验结果表明,超声铣削加工过程中主轴转速对钛合金表面完整性影响显著;不同转速下的超声铣削钛合金表面形貌呈现为周期性的鱼鳞状且其表面粗糙度均高于普通铣削钛合金表面粗糙度;超声铣削加工钛合金表面残余应力为压应力,相较于普通铣削,钛合金表面残余应力绝对值提高了25.9%~59.3%;与普通铣削相比,采用超声铣削可以使表面显微硬度提高7.6%~14.3%。

固溶和时效温度对铸态TC18合金组织性能的影响

钛合金具有相变复杂性以及相变敏感性,制备状态下的高强钛合金其显微组织及力学性能与对应的固溶-时效工艺直接相关。该研究对名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe的TC18钛合金进行固溶-时效处理,对比研究不同固溶温度以及时效温度对其显微组织及力学性能的影响。结果表明,固溶-时效热处理对合金性能提升效果显著,固溶处理使合金基体中残存的初生α相粗化,其他区域形成过饱和固溶体,在接下来的时效过程中,β基体析出细小针状次生α相。在两种α相的配合影响下,合金整体强度提升明显。

BASCA工艺对TC18钛合金组织及性能的影响

对TC18钛合金分别进行BASC(β退火+缓慢冷却)与BASCA(β退火+缓慢冷却+时效)两组工艺的加热处理,通过拉伸性能和冲击性能测试,并使用光学显微镜、扫描电子显微镜等设备研究其显微组织和力学性能的关系。结果表明:经两组工艺处理后,合金金相组织变化趋势接近,最主要区别为经时效处理后,组织中析出大量次生αs相。合金在经BASC处理后,强度与塑性均是随着加热温度升高而降低,而经BASCA处理后,合金的强度呈现出与BASC工艺相反趋势。经两组工艺处理后,合金冲击韧性均是随加热温度的升高而降低,合金经BASC处理后,其整体冲击韧性较高。当BA温度位于两相区时,两组工艺的拉伸与冲击断口形貌均以韧窝为主;当BA温度位于单相区时,两组工艺中的拉伸断裂形貌均以结晶状为主,具有明显撕裂棱,而冲击断口形貌中出现明显的解理台阶。

大规格TC18钛合金棒材组织与力学性能的研究

选取大规格TC18钛合金棒材,并对其进行热处理,随后使用光学显微镜、拉伸性能测试、冲击性能测试以及扫描电子显微镜,研究TC18钛合金棒材组织与力学性能的关系,结果表明:棒材的原始锻态金相组织由粗大β晶粒组成,有明显的晶界存在,在晶界附近有细小α相存在,在粗大β晶粒内部同样存在细小α相,经热处理后,组织中出现了由颗粒状形成的晶界α,棒材的横向与纵向力学性能较为接近,无明显各向异性。拉伸与冲击试样的断口微观形貌均以等轴状韧窝为主,韧窝尺寸较大且深度较深。