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。

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。

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%。

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。

TC18钛合金的组织和性能与热处理制度的关系

通过三因素三水平正交设计方法研究了两阶段退火热处理制度的三个温度阶段对TC18钛合金性能、组织的影响,定量分析了合金热处理温度变化对总体性能的影响.结果表明,在本文试验条件下可通过提高中温温度、降低低温温度来提高合金的强度,降低高温温度、提高低温温度可改善合金的塑性,通过降低高温温度或中温温度可提高合金的冲击韧性.显微组织分析表明, TC18钛合金的强度主要受未转变β组织及在其上产生的次生α_s相的总的含量、次生α_s相的含量、形状的控制;合金的塑性受初生α_p相形状及次生α_s相的数量、形状控制;合金的冲击韧性受初生α_p相的含量及形状控制.

热变形温度对TC18钛合金显微组织和力学性能的影响

研究了热变形温度从(tβ-25℃)^(tβ+20℃)变化时,对TC18钛合金模锻件显微组织和拉伸、冲击、断裂韧度等主要力学性能的影响。结果表明:合金强度随变形温度升高变化不大,均在1200MPa左右;而塑性、冲击韧性以及断裂韧度等性能指标对热变形温度变化反应敏感;两相区变形时获得双态组织,合金的塑性和冲击韧性较高,Ψ≥40%,aKU≥40J/cm2;但断裂韧度偏低,KIC<50MPa.m1/2。β区变形时获得片状组织,合金具有较高的断裂韧度,KIC>50MPa.m1/2;但塑性和冲击韧性较低,Ψ≥20%,aKU≥25J/cm2。在相变点附近变形时容易导致合金组织和性能出现不均匀性。

真空去应力退火对TC18钛合金残余应力及组织性能的影响

在不同温度和时间下对TC18钛合金进行真空去应力退火处理,研究TC18钛合金真空去应力退火前后力学性能及残余应力的变化规律,观察去应力退火后的金相组织和拉伸断口形貌。结果表明:经真空去应力退火后,TC18钛合金的抗拉强度和屈服强度降低,冲击韧性、断裂韧性、伸长率和断面收缩率提高;残余应力消除效果显著;随着退火温度的升高,合金显微组织呈现规律性变化;当温度达到650℃以上时,α相明显减少,亚稳定β相显著增加,导致其强度下降,与力学性能测试结果相吻合;合金塑性提高,与断口形貌分析一致;最后,得到TC18钛合金的真空去应力退火制度为600～650℃和1～4h。

等温锻造温度对TC18钛合金组织性能的影响

研究了TC18钛合金在5.5×10-4s-1恒应变速率下、60%大变形等温锻造时,温度变化对合金组织和性能的影响。结果表明:显微组织对温度变化敏感,在两相区锻造时,显微组织由初生α相和β转变组织组成,随着锻造温度的升高,初生α相的含量逐渐减少,尺寸增大,等轴化程度增加;在相变点以上锻造时为魏氏组织。室温和高温拉伸强度随锻造温度的升高不断增加,拉伸塑性不断降低,室温冲击韧性也呈下降趋势。在860℃等温锻造时,显微组织为双态组织,强度和塑性达到最佳配合,获得良好的综合力学性能。860℃为较佳等温锻造温度。

TC18钛合金变形本构关系及其热轧过程有限元仿真的应用

基于热模拟试验,构建TC18合金的Arrhenius型材料本构关系,并将其应用于TC18板坯多道次轧制工艺的有限元仿真,获得各道次轧制过程中的轧件温度场、等效应力-应变场、损伤场等分布情况以及载荷-轧制时间状态,进而为轧件尺寸预测以及轧机规格的选取提供指导。轧件每道次仿真所得尺寸与具体试验所得尺寸比较可知,宽展误差不超过0.7%,长度误差不超过4%。经四道次热轧试验后,在轧件边缘1 mm区域出现了裂纹,与仿真所得损伤场分布一致。上述验证表明仿真结果能够与热轧试验较好吻合。

TC18钛合金盘件等温模锻过程有限元模拟及试验

通过热模拟试验建立TC18合金的Arrhenius型本构关系,采用有限元模拟方法系统研究变形温度、变形速率和摩擦因数等因素对TC18缩比盘件等温模锻过程的影响,从而得到该合金较合理的模锻工艺条件,并用于指导具体试验。结果表明:变形温度840℃、变形速率0.1 mm/s、摩擦因数0.03为该合金较合理的等温模锻变形条件;在有限元模拟工艺的指导下成功锻造出该合金盘件,并验证有限元模拟结果的正确性;同时,为其他钛合金复杂件的等温模锻工艺提供数值依据与技术指导。

热处理工艺对电子束熔丝成形TC18钛合金组织性能的影响

利用电子束熔丝成形技术制备了TC18钛合金试样,研究了热处理工艺对TC18钛合金显微组织性能的影响。结果表明,经热等静压处理后,宏观组织为典型的沿堆积高度方向生长的粗大β柱状晶;β晶粒内部显微组织具有网篮状组织特征;片层状初生α相随着固溶温度升高而逐渐减少,固溶温度为830℃时全部消失;随固溶温度的升高,试样对应的显微硬度值增大;相同固溶处理条件下,随时效温度的升高,β转变组织中次生α相片层宽度明显增大,对应的显微硬度值降低。

喷丸、喷砂与HVOF WC-17Co涂层表面完整性对TC18钛合金疲劳性能的影响

为了探讨喷丸、喷砂与HVOF WC-17Co涂层表面完整性对Ti5Al5Mo5V1Cr1Fe(TC18)钛合金疲劳性能的影响规律和作用机制,利用X射线衍射仪(XRD)、表面粗糙度仪、显微硬度计、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线应力测试仪等分析了喷丸、喷砂及其复合超音速火焰喷涂(HVOF)WC-17Co涂层的表面完整性,利用旋转弯曲疲劳试验机研究了上述表面处理对TC18钛合金疲劳性能的影响规律。结果表明,喷丸预处理比喷砂预处理能够使TC18钛合金表面获得更好的表面完整性,因而显著提高了TC18钛合金的疲劳抗力,而喷砂处理对TC18钛合金疲劳抗力无明显影响。喷丸后进行HVOF WC-17Co涂层处理使TC18钛合金疲劳寿命提高6倍,原因归于喷丸层内仍保留数值较大、分布较深的残余压应力,有效延缓疲劳裂纹的萌生和早期扩展。喷砂后进行HVOF WC-17Co涂层处理使TC18钛合金疲劳抗力显著降低,原因是HVOF过程的高温效应使喷砂层内残余压应力场松弛,使喷砂表面缺口效应和损伤的不利影响作用突显,加之WC-17Co涂层韧性低、表面粗糙度大、存在孔洞型缺陷,不利于抗疲劳性能。

热处理及激光多道搭接对激光熔化沉积TC18钛合金组织的影响

研究了3种热处理制度及激光多道搭接对激光熔化沉积TC18钛合金显微组织的影响。结果表明:按照去应力退火-等温退火-双重退火的顺序,晶界α和晶内α片层都逐渐粗化,大柱状晶逐渐分裂,小晶粒逐渐趋于等轴化;激光扫描搭接区域,温度梯度大,重熔间隔时间短,生成大柱状晶;非搭接区域温度梯度较小,重熔间隔时间长,难以满足柱状晶外延生长的条件,从而形成小晶粒带。

航空用TC18钛合金的车削加工工艺技术研究

研究了难加工材料新型超高强度TC18钛合金的车削加工工艺技术。通过探讨机械加工表面粗糙度Ra对TC18钛合金疲劳寿命的影响规律,揭示了严格控制车削加工零部件表面粗糙度的重要性。利用正交试验法设计了车削加工工艺参数,以零件表面粗糙度Ra值为车削加工表面质量评价指标,采用直观分析法、方差分析法、Taguchi分析法以及多元线性回归分析法综合分析了车削加工试验结果。结果表明:机加工表面粗糙度对TC18合金疲劳寿命有重要的影响;车削加工走刀量f对TC18钛合金表面粗糙度影响最为显著。得到了一组优化的车削加工工艺参数,建立了预测车削加工TC18钛合金表面粗糙度与车削转速、走刀量和切削深度之间关系的定量方程,验证试验证明了其正确性。

两种典型热处理工艺对TC18钛合金组织性能的影响

采用两阶段退火和固溶强化两种典型的热处理制度,通过力学性能检测、显微组织分析和XRD物相分析,系统研究了整体热处理工艺对TC18钛合金大型锻件组织和性能的影响。结果表明:两阶段退火态的组织不仅满足强度和塑性匹配,而且断裂韧性KIC值可达75 MPa.m1/2;固溶强化热处理后的组织虽具有比前者更高的强度,但塑性损失较大,断裂韧性KIC值较低。