选区激光熔化成形Ti-6Al-4V钛合金的研究进展

Ti-6Al-4V钛合金具备良好的生物相容性、较小的密度以及较高的比强度而常用于航空领域和生物医学领域。选区激光熔化技术作为一种增材制造技术能够制备复杂的零件而被大量用于成形钛合金。选区激光熔化成形的钛合金相比于传统工艺有着更加优异的强度,但是塑性较差。如何制备出成型质量好、力学性能优异的钛合金依然是选区激光熔化技术面临的挑战。基于此,本文结合国内外研究现状,综述了选区激光熔化成形钛合金的进展,包括工艺参数和能量密度以及制备过程中所产生的缺陷对合金性能的影响,探讨了缺陷产生的原因;并总结了后处理对成形试样的拉伸性能和疲劳性能的影响;最后对增材制造钛合金的进一步研究方向进行了展望。

三重热处理对径向锻造Ti-6Al-4V钛合金组织和性能的影响

研究了几种三重热处理制度对径向锻造Ti-6Al-4V钛合金棒材组织和性能的影响。结果表明,在接近相变点进行三重热处理时,组织为网篮状组织;第一重热处理形成的网篮组织,经过两相区的二重固溶和三重时效后组织状态变化不大;随着固溶温度的增加,合金的强度逐渐上升,且距相变点越近,增加的幅度越大;伸长率和断面收缩率有下降趋势,在接近相变点时,下降幅度更大。在两相区进行三重热处理时,Ti-6Al-4V钛合金组织是典型的双态组织,包括近等轴α相和β转变组织,β转变组织内部为针状的次生α相和残余β相;当固溶温度在920~950℃时,强度和塑性呈现出良好的匹配关系,在热处理制度为950℃/1 h,AC+950℃/1 h,OQ+560℃/4 h,AC时,材料获得最佳高强度和高塑性匹配关系。

制备Ti-6Al-4V钛合金表面微纳米结构的工艺优化

采用机械打磨、酸洗和电化学法在Ti-6Al-4V钛合金上制备微纳米孔洞结构,提高钛合金表面粗糙度和孔隙率,以增强钛合金与塑料的界面粘接强度。分析极化曲线确定最佳电解液成分;通过正交实验获得电解液中的硫酸浓度、盐酸浓度、磷酸浓度、电解时间和电解温度的最优工艺参数和粗糙度、孔隙率。结果表明,当硫酸浓度为10%、盐酸浓度为5%、磷酸浓度为0 M、氯化钠浓度为0.04 g/mL、电解时间为20 min、电解温度为50℃时,得到最佳粗糙度为5.32μm,孔隙率为45.18%。该数据也是目前所查找的文献研究中已知最好的结果。

Ti-6Al-4V钛合金环保型阳极氧化及封闭处理研究

选用Ti-6Al-4V钛合金作为基体在环保型电解液中制备阳极氧化膜,然后分别浸没在沸水、氟锆酸铵溶液、乙酸钙溶液中对阳极氧化膜进行封闭处理。采用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪表征和分析未封闭及封闭处理后阳极氧化膜的微观形貌、化学成分与物相结构,并配制酸性氯化钠溶液作为腐蚀介质,研究未封闭及封闭处理后阳极氧化膜的耐腐蚀性能。结果表明:与未封闭阳极氧化膜相比,在沸水、氟锆酸铵溶液、乙酸钙溶液中封闭处理后阳极氧化膜中微孔数量减少,化学成分发生变化,耐腐蚀性能进一步提高,但封闭处理未影响阳极氧化膜的物相结构。在乙酸钙溶液中封闭过程中发生化学反应,生成水合二氧化钛、氢氧化钛、氢氧化钙和钛酸钙等多种产物,达到协同封闭效果,赋予封闭处理后阳极氧化膜良好的表面致密性,其耐腐蚀性能好于在沸水、氟锆酸铵溶液中封闭处理后阳极氧化膜,对钛合金的防护作用更强。

Ti-6Al-4V ELI钛合金的宽温域(-253~350℃)力学性能研究

钛及钛合金是一种重要的太空金属材料,在航空航天领域发挥重要的作用。研究了Ti-6Al-4V ELI钛合金在室温(20℃)、高温(350℃)以及超低温(-253℃)环境下的拉伸力学性能,比较了Ti-6Al-4V ELI钛合金在不同温度下的力学性能指标,分析了其断口形貌特征。结果表明,Ti-6Al-4V ELI钛合金在超低温下表现出较高的力学性能,抗拉强度可达1900 MPa以上,其断口形貌呈现脆性断裂特点。在室温和高温下,Ti-6Al-4V ELI钛合金表现出良好的塑性和韧性,具有较为明显的韧性断裂特点。因其良好的宽温域力学性能,Ti-6Al-4V ELI钛合金是未来发展航天航空领域必不可少的重要金属材料。

选区激光熔化Ti-6Al-4V合金在模拟乏燃料后处理环境中的腐蚀行为

研究选区激光熔化(SLM)制备的Ti-6Al-4V合金在乏燃料后处理环境中的腐蚀行为。借助光学显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射以及电化学测试等手段研究SLMTi-6Al-4V合金的显微组织及耐蚀性。结果表明,相较于铸造合金,SLM Ti-6Al-4V合金在含氧化性离子的6 mol/L热硝酸溶液中的耐腐蚀性更好。进一步分析表明,SLMTi-6Al-4V合金具有α'+β的微观结构,β-Ti相含量较高且分布均匀,同时其晶粒尺寸较小、晶界密度较高,这种微观结构可提高其在含氧化性离子的硝酸中的钝化能力以及耐腐蚀性。SLM Ti-6Al-4V合金有望在乏燃料后处理过程中得到广泛应用。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于2,均表现为正压痕尺寸效应。结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应,Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系,其拟合结果更接近于试验结果,计算的硬度值也最为准确。

激光选区熔化生物医用Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为

分析了SLM Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为及相应的微观组织和断口形貌,设置与SLM试样化学成分相同的轧制态Ti-6Al-4V合金进行对比研究.采用X射线衍射(XRD)、结合电子背散射衍射(EBSD)的扫描电子显微镜(SEM)对合金的微观组织进行分析.结果表明,三点弯曲疲劳裂纹起始于准解理断裂表面附近的应力集中,随后向内扩展.SLM成形Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳寿命高于轧制成形Ti-6Al-4V合金,SLM Ti-6Al-4V合金内部孔洞缺陷导致表面附近应力集中,促进疲劳裂纹形核;而SLM Ti-6Al-4V合金中随机取向的α+β晶粒、二次裂纹和孔洞延缓了裂纹扩展,提高了疲劳寿命.对于轧制态Ti-6Al-4V合金,由大量近似取向α晶粒组成的宏观区引起应力集中,形成微裂纹,导致疲劳裂纹形核,而且宏观区对裂纹扩展的阻碍作用较小,不利于材料的疲劳寿命.

微量Ti-6Al-4V掺杂对SLM打印纯钛机械性能与显微结构的影响

目的:探究选区激光熔化(selective laser melting,SLM)打印制造的添加微量Ti-6Al-4V粉末的纯钛材料,在两种不同热处理温度(650℃,2 h和700℃,2 h)及不同扫描速度(1000 mm/s和500 mm/s)下的机械性能。方法:制备SLM打印的试样,测试材料的机械性能,观察拉伸试样的断口形貌及显微结构。结果:SLM打印的纯钛试样的极限拉伸强度在1000 mm/s扫描速度时高于500 mm/s扫描速度时的25%;在650℃及700℃不同热处理条件下,650℃,2 h在两种扫描速度下都表现出更加优异的机械性能,但延伸率在700℃,2 h在低扫描速度组更高。结论:添加微量Ti-6Al-4V粉末后打印的纯钛材料相较于Ti-6Al-4V合金更能满足口腔修复体的要求。

激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金热处理组织及力学性能研究

本文研究了不同热处理制度对激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金微观组织及力学性能的影响,借助光学显微镜和扫描电镜分析了热处理参数变化时微观组织的变化,探究了不同固溶温度和冷却速度下试样力学性能变化的原因。结果表明:激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金的微观结构主要由魏氏α板条组织和沿沉积方向从基体向外延生长柱状β晶粒内少量针状α相构成。经固溶时效热处理后组织主要为典型的交错网篮组织,α板条厚度明显降低,试样塑性、韧性提高明显。当固溶时效热处理方案为950℃/1 h,AC+540℃/6 h,AC时,与沉积态试样相比,晶粒尺寸减小了一半,可获得较好的综合力学性能,建议采用此热处理方案。

冷却方式对Ti-6Al-4V合金组织与力学性能的影响

选取Ti-6Al-4V合金棒材作为试验材料,对其进行热处理,随后采用水冷、空冷与炉冷三种方式冷却,研究冷却方式对合金组织与力学性能的影响,结果表明:合金经三种冷却方式处理后,水冷与空冷的微观组织较为接近,而炉冷的组织粗化明显,合金经水冷处理后,组织中析出α'相,经空冷与炉冷处理后,并无α'相析出,合金经水冷处理后,强度最大,其次为空冷、炉冷,而塑性趋势与强度相反。

Ti-6Al-4V六槽深浅腔动静压轴承刚度数值分析

针对传统材料制造的动静压轴承刚度较差的问题,提出一种基于Ti-6Al-4V材料制造六槽深浅腔交错分布的动静压轴承。利用ANSYS有限元软件建立六槽深浅腔动静压轴承流固耦合模型,研究轴径间隙、转速以及偏心率对QSn4-3轴承和Ti-6Al-4V轴承刚度的影响规律。结果表明:钛合金材料制成的轴承刚度优于传统锡基合金材料制造的轴承,各工况参数中,轴径间隙对轴承刚度的影响最为显著,其次是偏心率。该研究可为钛合金滑动轴承的数值模拟和设计提供参考。

Ti-6Al-4V钛合金热处理性能的研究进展

从热处理工艺对Ti-6Al-4V(TC4)钛合金的显微组织、力学性能及摩擦磨损性能等的影响这些方面,综述了该合金的热处理研究进展,对热处理过程中合金的性能变化进行了梳理,总结了合金在不同热处理工艺后的组织及性能,以期为热处理在钛合金的相关研究和应用提供参考。

面向高速切削的钛合金Ti-6Al-4V动态本构模型:综述

高速切削是实现钛合金等难加工材料高效、高质量加工的有效技术方法。钛合金高速切削加工过程具有高温、高应变和高应变率的热力强耦合非线性动态特征。为了准确描述高速切削时钛合金动态力学行为,对钛合金动态本构模型的研究进行综述。以钛合金Ti-6Al-4V为研究对象,从唯象模型和物理学模型的角度,分析了Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Bammann模型的适用条件及优缺点。经综合比较,选取Johnson-Cook模型开展进一步探究,并且基于温度影响和竞争机制影响对Johnson-Cook修正模型进行分类,Johnson-Cook修正模型的预测精度与经典模型的预测精度相比均有所提高;同时提出可将构建唯象-物理学复合本构模型作为探究钛合金动态本构模型的重点方向,采取实验与计算机同步方法得到本构模型参数的最优解,从而提高动态本构模型的预测精度。

大厚度Ti-6Al-4V ELI钛合金电子束焊接头的组织及力学性能

采用不同的焦点偏移量和扫描幅值对55 mm厚Ti-6Al-4V ELI钛合金板进行电子束焊接试验,通过金相分析、室温拉伸及显微硬度测试,研究了焊缝成型及接头的组织、力学性能。结果表明:当采用较小的焦点偏移量焊接时,扫描幅值的增加会显著降低焊缝深宽比,当焦点偏移量过大时,焊缝易出现咬边及明显的钉尖缺陷。焊缝组织为粗大的柱状晶,其内部由十字交叉状排列的针状马氏体α’相构成。当焦点偏移量为-15 mm、扫描幅值为0.2 mm时,接头抗拉强度比母材的高,沿熔深方向抗拉强度无明显差异,力学性能稳定。焊缝处平均硬度为323 HV,比母材高40 HV。

变形链球菌对医用钛合金Ti-6Al-4V腐蚀行为研究

采用电化学法、扫描电镜法研究了钛合金Ti-6Al-4V在变形链球菌作用下的腐蚀性。将变形链球菌菌液接种至液体培养基中进行培养两天,然后把钛合金金属与培养基菌液一起共同培养,同时设置无菌组为对照组,同时进行电化学测试。腐蚀30天后,用扫描电镜观察。电化学实验结果显示,含有变形链球菌的自腐蚀腐蚀电位比无菌组低,腐蚀电流密度比无菌组大,扫描电镜结果显示,变形链球菌组的合金表面粗糙度更大。实验结果表明,变形链球菌能增加钛合金Ti-6Al-4V的腐蚀倾向和腐蚀速率。

ZTC4(Ti-6Al-4V)铸造钛合金的退火热处理工艺

介绍了航空航天等工业中大量应用的ZTC4(Ti-6Al-4V)铸造钛合金的退火热处理工艺,包括消除应力退火,普通退火,真空或保护性气氛退火以及真空双重退火。

能量密度对直接激光沉积Ti-6Al-4V合金组织和性能的影响

采用直接激光沉积(DLD)技术制备了Ti-6Al-4V合金,使用X射线衍射、扫描电镜、拉伸实验机等研究了不同能量密度(50、62.5和75 J/mm^(3))对DLD成型Ti-6Al-4V合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:随着能量密度的升高,可以得到3种典型的显微组织:α′马氏体组织、魏氏组织、层片状(α+β)组织。在能量密度为75 J/mm^(3)时,DLD成型Ti-6Al-4V合金具有较好的强塑性匹配:屈服强度达到1199 MPa,抗拉强度达到1220 MPa,断裂伸长率为11.6%。该合金强度和塑性提升的原因可能与层片状(α+β)组织中的纳米孪晶有关。

高能喷丸制备具有表面梯度结构的Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹扩展行为

通过高能喷丸(HESP)在Ti-6Al-4V合金表面成功制备梯度结构,并研究其对疲劳裂纹扩展的影响。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪对HESP过程中的显微组织和残余应力演变进行表征。结果表明,材料表面形成的梯度纳米结构具有220μm深度的残余压应力层。梯度纳米结构的产生能改善合金的强塑性匹配。最大残余压应力产生于次表层,且随着喷丸时间的增加逐渐增大。HESP处理有效降低裂纹扩展速率,提高疲劳裂纹扩展寿命。残余压应力可降低裂纹尖端的有效应力强度因子范围(ΔK’eff),从而产生裂纹闭合效应并延缓裂纹扩展。同时,晶粒细化引起的晶界增加、有效滑移长度减小和裂纹尖端塑性区的协同作用也会使裂纹扩展阻力增大。

增材制造Ti-6Al-4V合金晶粒形貌调控研究进展

增材制造(3D打印)为复杂零件快速制造、构件高性能修复和产品个性化定制提供了新的技术途径。针对应用较为广泛的Ti-6Al-4V(TC4)合金,3D打印技术的快速发展为TC4合金构件的设计、优化与制造提供了新的动力。然而,大部分3D打印TC4合金中初生β-Ti晶粒通过外延生长形成了贯穿多个沉积层的粗大柱状晶,导致显著的力学性能各向异性。为此,大量的研究工作致力于3D打印TC4合金微观组织与力学性能调控,以改善力学性能各向异性、优化强度与塑性匹配。本文综述了近几年3D打印TC4合金初生β-Ti晶粒形貌调控及其对力学性能影响的研究成果,重点介绍了提高初生β-Ti晶粒形核率和再结晶机制作用下的柱状晶向等轴晶转变的方法,相应的微观组织与力学性能演变规律,以及柱状晶和等轴晶混合组织的科研价值与应用潜力。本文还指出了现有技术的优势与不足,并展望了基于调控初生β-Ti晶粒形貌优化TC4合金强度与塑性匹配的3D打印技术研究的发展方向。