润滑条件对TC4钛合金切削加工影响的实验研究

为了研究冷却润滑条件及切削参数对TC4钛合金的切削力和表面粗糙度的影响,分别开展CMQL、冷风、浇注式冷却润滑条件的TC4钛合金高速切削实验、四种不同润滑环境的粗/半精/精加工实验以及CMQL条件下TC4钛合金正交切削试验,通过单因素分析和正交试验法研究冷却润滑条件及切削参数对切削加工性的影响。研究表明:CMQL冷却润滑条件可在TC4钛合金高速切削时有效降低切削阻力和改善表面粗糙度,并在高速精车削阶段体现出降低切削阻力的优势。考虑CMQL条件下高速精车TC4钛合金加工效率,最佳参数组合为较高的切削速度、较小的精加工余量和合适范围内较大的进给量。

添加稀土元素的TC4钛合金激光焊接头纵向超塑性能研究

针对钛合金激光焊接接头超塑性能低的难题,提出在焊缝中以Yb_(2)O_(3)的方式添加稀土Yb元素,分析Yb_(2)O_(3)含量对TC4钛合金激光焊接头高温拉伸峰值流变应力、断后伸长率及组织的影响.结果表明,Yb_(2)O_(3)能够促进变形过程的组织等轴化进程,减小焊缝β晶粒尺寸和接头超塑性变形流变应力,并提高断后伸长率.随着Yb_(2)O_(3)含量增加,接头应力应变曲线下移,峰值流变应力呈先降低后升高的趋势,而断后伸长率则为先增大后减小.在超塑性变形过程中,Yb_(2)O_(3)含量6%时峰值流变应力最低为11.9 MPa,断后伸长率为572.3%;焊缝中心β晶粒尺寸最小为127μm,相较于未添加Yb_(2)O_(3)时β晶粒尺寸的337μm细化了62.3%.此时,马氏体组织发生相变,形态转变成片层,焊缝区域组织等轴化程度最高,焊缝的超塑性能最好.

TC4钛合金侧铣加工表面形貌分析及工艺参数优化

TC4钛合金是1种典型的不易加工材料,其切削加工表面质量很难控制。为实现面向侧铣加工表面形貌的切削工艺参数优选,开展了TC4钛合金侧铣加工实验研究。首先,探究了加工表面微观缺陷特征及其形成机制;然后,采用粗糙度参数R_(a)和S_(a)对铣削表面形貌进行定量表征,并分析了切削速度、进给量和切削深度对表面粗糙度参数的影响;最后,基于遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)对铣削工艺参数进行了优化。研究发现,加工表面微观缺陷主要有进给刀痕等固有缺陷和黏附颗粒等随机缺陷。铣削表面粗糙度随主轴转速的增大先减小后增大;随径向切深的增大先增大后减小;随进给量先增大后减小。在主轴转速n=1093r/min、径向切深a_(e)=0.2mm、每转进给量f=0.06mm/r的条件下可以获得较小的表面粗糙度。

PCD刀具超声振动辅助铣削TC4钛合金仿真与试验

TC4钛合金是典型的难加工材料,为解决其导热性差对铣削加工性能的影响,文章提出超声振动辅助铣削加工工艺,以提高其铣削质量。通过Abaqus建立PCD铣刀及TC4钛合金工件的仿真模型,分析超声振动对PCD铣刀切削刃温度的影响;采用单因素法设计超声振动铣削试验,研究不同超声振幅与刀具前角对PCD铣刀切削刃温度、铣削力及工件表面粗糙度的影响;并将试验结果与仿真结果进行对比,验证仿真模型的可靠性。结果表明,超声辅助铣削可大幅降低切削刃温度和铣削力,还可有效降低工件表面的粗糙度。相较普通铣削,超声铣削的切削刃平均温度由421.5℃下降到241.9℃,降幅为42.6%;铣削力由104.65 N下降到87.05 N,降幅为16.8%;工件表面粗糙度均值由0.316μm下降到0.228μm,降幅为27.8%。超声振幅较铣刀前角对表面粗糙度的影响更明显,且仿真结果和试验结果基本一致,其平均误差为4.6%。

超声速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层对TC11钛合金耐磨性和耐蚀性的影响

采用超声速火焰喷涂(HVOF)工艺,在随钻仪器零件常用材料TC11钛合金表面制备金属陶瓷涂层WC-10Co4Cr,利用冲击试验机测量喷涂前后钛合金的冲击韧性,使用磨粒磨损试验机测定涂层的耐磨性,采用电化学测试分析涂层的耐蚀性。结果表明:HVOF工艺对TC11钛合金的组织和性能影响较小,与未喷涂的钛合金相比,界面处基体的显微组织和显微硬度没有明显变化,冲击韧性稍有提高;HVOF工艺稳定可靠,涂层呈片层结构,致密度高,涂层的孔隙率为2.55%,硬度达到1400 HV,涂层主要由WC和W2C相组成,其与基体结合良好,为机械结合;金属陶瓷涂层能够显著改善钛合金的耐磨性和耐蚀性,喷涂涂层钛合金的磨损量是未喷涂钛合金的1.56%,喷涂涂层钛合金的磨损机制是磨粒磨损,未喷涂涂层钛合金磨损机制是磨粒磨损+黏着磨损。

表面超声滚压处理对TC4钛合金表面粗糙度的影响

为提高TC4钛合金叶片性能,对其进行表面超声滚压处理,分析了主轴转速、进给速度、静压力、滚压次数四个因素对表面粗糙度的影响,并通过正交试验优化参数。结果表明,主轴转速、进给速度对表面粗糙度的影响显著,通过水平分析,筛选出最优方案为主轴转速400 r/min、进给速度0.1 mm/r、静载荷490 N、滚压次数3次。表面超声滚压是一种有效的TC4钛合金表面质量提升工艺,筛选的最佳工艺方案可将表面粗糙度由Ra0.8μm降低至Ra0.079μm,摩擦系数降为一半,耐磨性显著提升,证明该工艺方案在TC4钛合金叶片使用寿命提高方面具有一定的参考意义。

TC4钛合金样品硬度对激光诱导等离子体温度的影响研究

钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优良特性,目前已被广泛应用于压气机盘和叶片制造等航空制造领域。然而,钛合金材料的硬度较低,在服役过程中极易出现摩擦损耗等问题,从而降低部件的使用寿命。因此,原位、实时的硬度监测对钛合金部件在使用过程中的性能评估具有重要意义。本工作利用激光诱导击穿光谱(LIBS)对TC4钛合金样品热处理后的不同硬度进行了表征。实验结果发现,随着样品硬度增大,材料的激光诱导等离子体温度呈上升趋势,表明激光诱导等离子体温度可以作为金属硬度的重要表征参数。研究还进一步探究了材料硬度变化对等离子体温度影响的内在机理。

TC4钛合金电致塑性本构方程建立

采用自行设计的绝缘夹具对TC4钛合金板材进行了电致塑性单向拉伸试验。基于对照试验的方法,以无脉冲电流且不同温度条件作为参照,与同等温度条件下脉冲电流加热情况进行对比,以探索电流参数对TC4钛合金电致塑性效应和力学性能的影响规律。结果表明:在试验研究范围内,脉冲电流的占空比主要影响材料的温度变化,脉冲电流密度对TC4钛合金的电致塑性起主导地位,脉冲电流作用下的TC4钛合金材料抗拉强度大幅下降,塑性提高。基于Johnson-Cook模型和Arrhenius方程建立了耦合温度和脉冲电流密度的TC4钛合金电致塑性本构方程,并进行了验证。

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果在相同的∆K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lgC呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。

TC4钛合金铣削温度参数自适应控制方法研究

传统的钛合金铣削温度参数PID控制方法无法实时反馈钛合金铣削过程中的温度变化情况,影响实际的铣削温度控制,降低钛合金铣削加工精度。对此,设计一种TC4钛合金铣削温度参数自适应控制方法,在铣削过程中建立TC4钛合金温度热模型,分析钛合金热产生区域,计算TC4钛合金不同变形区产生的能量,得到TC4钛合金铣削速度与温度之间的变化模型。基于热焓修正复合神经网络,在自适应温度控制中赋值系统参数以减少控制振动,得到铣削温度参数自适应控制框图,制定自适应模糊逼近调节规则对照表,完成TC4钛合金铣削温度参数自适应控制方法的研究。结果表明,与传统控制方法相比,设计的方法抗干扰能力更好,响应速度较快,跟随误差更小,即鲁棒性更强。

TC4-DT钛合金切削加工参数研究

针对YG8和TiAlN涂层硬质合金两种刀具,通过单因素车削、低速铣削及正交高速铣削加工试验,探究刀具切削工艺参数对TC4-DT钛合金加工件表面粗糙度、表层硬度的影响规律。实验结果表明:钛合金的表面粗糙度随着切削三要素发生变化,切削速度越高,粗糙度越低;进给量越大,粗糙度越大;但随切削深度波动变化。使用TiAlN涂层硬质合金立铣刀进行加工得到的平均表面粗糙度小于YG8硬质合金立铣刀,且加工表面硬度变化更小,更适合用于TC4-DT的铣削加工。

TC4钛合金的力学性能分析和本构模型的构建

构建TC4钛合金本构模型,可以更精确地描述和预测TC4钛合金的力学行为,为其生产应用提供更加准确、可靠的理论依据。文章通过高温压缩实验,得到TC4钛合金流动应力与应变、应变速率以及温度之间的关系,并建立了初始的Johnson-Cook(JC)本构模型。根据应变量、变形温度、应变速率之间的相互联系,修正了本构模型并拟合数据;比较了拟合、实验结果,并借助误差用相关系数R定量评价不同本构模型对流动应力预测的准确性。结果表明:最终构建的钛合金本构模型的预测值误差相关系数R值可达到0.999,比原始的JC模型能更准确地预测材料的力学行为。

电压和脉间对钛合金TC4电火花加工影响的研究

【目的】探讨不同工艺参数对钛合金TC4电火花加工时蚀除速率、表面质量的影响,找到合适的电压、电流、脉间等工艺参数。【方法】基于电火花加工原理,进行两阶段实验,在数控电火花成型机(KMZ-435)上分别采用不同的电压、电流、脉间等工艺参数对钛合金TC4实验块进行加工,统计加工时间,计算蚀除速率,并对比了加工件的表面粗糙度。【结论】峰值电压在150 V,间隙在40 μm~50 μm时,蚀除速率、加工稳定性及表面质量都在最优状态。【结论】电火花加工是目前应用最广的钛合金TC4加工方法,本研究对钛合金TC4电火花实际加工及成本控制有重要的现实意义。

锥度球头刀加工钛合金TC4表面粗糙度建模

高性能商用航空发动机大型复合材料风扇叶片高速旋转时存在分层开胶风险,需要在其前缘通过胶结工艺装配钛合金TC4前缘金属加强边予以保护,而胶结性能受到装配表面粗糙度影响较大。本文针对钛合金TC4前缘金属加强边内腔加工表面粗糙度,以主轴转速、每齿进给量和轴向切深为设计因子,分别开展4种细长锥度球头刀四轴铣削钛合金TC4试验,测试已加工表面粗糙度。基于测试的样本数据,分别针对4种细长锥度球头刀建立加工表面粗糙度的经验模型。结果表明,主轴转速增加,直径为5.0mm时,表面粗糙度大幅降低,直径为3.0mm时,表面粗糙度却有所增加;主轴转速、每齿进给量增加时,直径4.0mm、2.4mm的锥度球头刀加工的表面粗糙度没有较大变化。随着轴向切深增加,4种直径的刀具加工的表面粗糙度均大幅增加。

TC4钛合金低温拉伸行为与本构建模

在20、10、0、-10、-20、-30和-40℃温度下开展了TC4钛合金拉伸行为的试验研究,分析了温度变化对材料力学性能的影响规律,构建了Johnson-Cook和Modified Zerilli-Armstrong本构模型,预测了TC4钛合金的动态本构关系,并将TC4钛合金塑性阶段的本构模型代入ABAQUS软件进行拉伸有限元模拟仿真分析。结果表明:TC4钛合金在试验温度区间内具有一定敏感性。随着温度的下降,TC4钛合金的弹性变形能力变化不大,塑性变形能力、抗拉强度和屈服强度逐渐提高,而最大伸长率先增大后减小,0℃时最大,-40℃时最小;塑性阶段-40℃时材料的应力值最大,20℃最小;0℃时材料的断裂应变最大,-40℃最小。还发现Johnson-Cook本构的预测结果与试验值吻合更好;仿真与试验在塑性阶段和断裂阶段具有较好的吻合性,屈服强度、抗拉强度和伸长率的误差在5%以内。

TC4钛合金实海污损生物附着行为与腐蚀机理研究

目的研究TC4钛合金在实海中的生物腐蚀行为,以期为钛合金在海洋工程装备中的应用提供科学依据。方法TC4钛合金在广东湛江调顺岛实海中进行浸泡挂样,观察污损生物附着行为以及试样腐蚀形貌,结合极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和XRD分析污损生物附着对TC4钛合金腐蚀的影响,探索TC4钛合金在实海中的生物腐蚀机理。结果TC4钛合金具有良好的生物兼容性,大型污损生物附着以藤壶为主,数量多达4.5 pcs/cm^(2),覆盖面积占比呈“∫”型变化。试样表面无藤壶附着位置或藤壶与藤壶空隙之间无明显蚀坑,而藤壶附着位置出现蚀坑,随着时间延长形成溃疡坑。污损生物演替改变溶解氧向钛合金表面传输的效率,同时造成钛合金表面介质性质不均匀化,影响钝化膜的形成与再生,腐蚀电位、腐蚀电流及容抗弧半径波动变化。藤壶等污损生物不均匀附着形成“封闭滞留层”,导致出现富氧区和贫氧区,构成氧浓差电池,富氧区发生还原反应,贫氧区发生氧化反应,从而促进腐蚀。TC4钛合金表面形成含有TiO_(2)和Al_(2)O_(3)的钝化膜,而CaCO_(3)主要来源于钙质外壳污损生物。结论该海域污损生物附着以藤壶为优势物种,不同生长阶段的藤壶腐蚀机制不同,结构完整的活体藤壶钙质外壳和致密藤壶胶能够有效隔离外界腐蚀介质而抑制腐蚀,死亡藤壶则因壳体结构不完整与有机体被分解而促进腐蚀。污损生物附着使TC4钛合金表面发生复杂物化、生化和电化过程,导致试样在海洋环境中发生局部腐蚀,腐蚀速度非线性波动变化。

爆炸加载TC4 ELI钛合金微损伤研究

用TNT炸药空中爆炸加载等轴组织TC4 ELI钛合金板材,研究爆炸药量及距靶板中心距离对钛合金显微组织演化的影响,测试了爆炸加载后材料的力学性能。结果表明:爆炸加载后TC4 ELI钛合金显微组织内产生了大量形变带,形变带宽度为10~120μm;随着爆炸药量从200 g提高到300 g,形变带的数量及总宽度增加,形变带边界更加清晰;随着距靶板中心距离的增加,形变带数量不变,宽度增加。对爆炸加载回收靶板采用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行动态压缩再加载试验,随药量和距靶板中心距离的增加,钛合金静动态抗压强度与断裂应变增加。动态再加载后产生了绝热剪切转变带,形变带对转变带的萌生及扩展过程影响较小。

TC4钛合金热轧过程中组织演变和性能控制机理研究及展望

以TC4钛合金为研究对象,首先基于轧件特点,将TC4钛合金产品分为板带箔材和管棒材,归纳了这些产品常见的加工技术;综合评述了晶粒细化、织构演变和相组分再分配等行为对TC4钛合金微观组织的影响;通过总结不同的热轧温度及变形量等轧制工艺对TC4钛合金组织的影响,评估了性能、组织匹配性较好的相关参数;围绕TC4钛合金板材在热轧过程中出现的轧制变形不均匀、裂纹和塑性流动失稳等缺陷,阐述了这些缺陷的形成机理;考虑到数值模拟在钛合金热加工成形时的重要作用,分析了TC4钛合金不同尺度下数值模拟特点;展望了TC4钛合金热轧工艺及技术的发展方向。

多级冷压合与高温蠕变应力松弛TC4钛合金微观组织演变机理研究

采用多级冷压合与高温蠕变应力松弛成形工艺制备TC4钛合金薄壁构件,研究了不同蠕变工艺参数对微观组织的影响规律。通过光学显微镜和电子背散射衍射技术分析了晶粒尺寸及取向、位错密度和裂纹萌生扩展。结果表明,在低塑性变形条件下,较高的蠕变温度可以促进α相晶粒长大。然而在大塑性变形条件下,微观组织受到蠕变温度和塑性变形共同影响。较高的温度加快位错回复,引起位错密度降低,从而减小了晶粒生长的驱动力,最终导致在较高的蠕变温度下α相晶粒反而更小。与600℃蠕变工艺相比,750℃蠕变后的TC4板材出现更多的裂纹,可能是β相粗化所致。

基于近场动力学的钛合金TC4材料疲劳裂纹扩展建模

为了更准确地预测钛合金TC4材料在循环载荷下的疲劳裂纹扩展行为,提出了一种基于近场动力学理论的新型预测模型,首先在近场有限半径内构建了物质点损伤模型,用以模拟裂纹的产生及其扩展过程;通过建立“键”的塑性变形损伤模型,深入分析了疲劳裂纹的萌生和扩展机制,为提升模型的预测效率和稳定性,引入了物质点临界损伤因子这一关键参数;并采用了改进的自适应动态松弛方法,该方法在每个加载循环中都能获得静力解,并通过对不同载荷条件下的裂纹扩展结果进行收敛性分析,进一步验证了模型的可靠性。实验结果表明,所提出的基于近场动力学理论的疲劳裂纹扩展预测模型,可以准确地预测裂纹的萌生位置和扩展速率;模型预测的疲劳寿命与实验数据呈现出良好的一致性,该模型在钛合金材料疲劳裂纹扩展预测方面具有有效性和实用性。