纯钨表面等离子Ta合金层耐腐蚀性能研究

利用双层辉光等离子表面合金化技术在纯钨表面制备Ta合金化改性层以改善材料的耐腐蚀性。研究不同温度工艺参数对Ta合金层组织结构及耐腐蚀性能的影响。结果表明:在不同温度工艺参数下均制备出连续致密的Ta合金化改性层,且随温度升高,合金层的厚度增加。合金层主要由纯Ta相组成。Ta合金层的自腐蚀电位高于基材的,而自腐蚀电流密度较低,即Ta合金层更难以发生电化学腐蚀反应且腐蚀速率更低。900℃合金层的耐蚀性能最佳,腐蚀速率降至8.45×10^(-3)g·m^(-2)·h^(-1),表现出优良的耐腐蚀性。

放电等离子体烧结工艺制备W-10Ta合金的力学性能和晶粒长大动力学研究

试验采用放电等离子体烧结(SPS)工艺,在烧结温度1600~1900℃、保温0~15 min下制备了W-10Ta合金,分析了材料的组织、性能及晶粒长大动力学。结果表明:钨和钽在烧结过程中形成了单相W-Ta固溶体,且随着烧结温度和保温时间的增加,W-10Ta合金的衍射角向低角度偏移。W-10Ta合金的断裂方式为穿晶断裂和沿晶断裂组合而成的脆性断裂。随着烧结温度和保温时间的增加,W-10Ta合金的致密度和剪切强度增加。在低温(1600~1700℃)下,W-10Ta合金的晶粒尺寸变化不大,在高温(1800~1900℃)下,W-10Ta合金的晶粒明显长大。此外,W-10Ta合金的晶粒长大系数为n=2,晶粒长大主要以晶界扩散为主。在保温时间5 min、10 min、15 min下,W-10Ta合金晶粒生长的活化能分别为359.26 kJ/mol,378.65 kJ/mol和373.76 kJ/mol。

粉末冶金Ta合金中的隐性胞状结构

采用Ta-W-Hf预合金化粉末通过冷等静压成型、热等静压和高温退火工艺制备了Ta-W-Hf合金块材,讨论了热等静压和后续的高温退火处理对合金性能的影响。发现在低的热等静压温度下,材料具有较高的强度和硬度,但塑性较低;提高热等静压温度或进行高温退火处理,可以大幅度提高拉伸延伸率和断面收缩率,同时伴随着强度的降低。分析表明,产生这种现象的主要原因是合金中的氧元素在原料颗粒中分布不均匀,并保留在热等静压成形后的块体材料中,形成了一个无相变的隐性硬壳的胞状结构。高温退火处理可以消除这种结构。

Ta在Ti-6Ta合金铸锭中的分布特征

采用传统的低倍酸浸法和化学分析法,观察和研究了真空自耗电弧熔炼Ti-6Ta合金中高熔点Ta夹杂物和Ta的分布特征。结果表明,铸锭中未发现Ta夹杂物和区域性偏析。Ta的分布有些不均匀,在铸锭中部的R/2处,含Ta量稍高,呈现负偏析特征,这与Ta元素本身固有特征和液态合金的凝固速度有关。

温度对Co-8.8Al-9.8W-1.5Ta合金γ′相形貌和结构的影响

为了研究温度对Co-8.8Al-9.8W-1.5Ta合金中强化相γ′相形貌结构的影响,利用SEM、XRD、TEM等表征手段,对不同固溶温度下制备的合金Co-8.8Al-9.8W-1.5Ta中强化相γ′-Co3(Al,W)相的形貌以及结构进行研究。结果表明:不同温度下制备的合金析出物相相同,主要包括γ-Co、γ′-Co3(Al,W)、Co3Ta和CoCx相;合金的制备温度不影响其物相组成,但对合金强化相的形貌有很大的影响。制备温度为1300℃时,合金中γ′相的组织形貌保持高度立方状,温度过高或过低时都使γ′相形貌偏向于圆形;固溶温度会影响合金中晶体取向和Ta元素的分布。固溶温度为1300℃时,γ′-Co3(Al,W)相中Al和W的原子比趋向于1,而温度过高或过低时,都会加大W在γ′-Co3(Al,W)相中的原子占比,并且Ta元素主要分布在强化相γ′上。

EDXRF法测定V-Ta合金中Ta含量

为适应新型合金材料（V—Ta合金）研制的需要，建立了甩能量色散x射线荧光光谱（EDXRF）法测定V—Ta合金中Ta含量的分析方法。该方法将溶鳃的V—Ta合金切屑样制成滤纸片试样，用能量色散x射线荧光光谱仪测定其Ta含量。该方法简便、快速，测定Ta含量在25％。加％范围内的样品时，其测量结果的相对标准偏差（n=6）不大于1％。

Ti-6Ta合金等离子焊焊接接头的组织与性能

采用等离子弧焊对3 mm及12 mm厚Ti-6Ta合金板材进行了焊接实验,通过光学显微镜和腐蚀试验研究了焊接接头的组织形貌和耐腐蚀性能,同时测试了焊接接头的力学性能和弯曲性能。结果表明:采用等离子弧进行焊接的Ti-6Ta合金,其焊接热影响区为粗大的等轴晶粒,焊接熔区晶粒组织则呈粗大的不规则形貌。并且,Ti-6Ta合金等离子焊焊接接头的强度和弯曲性能与母材相当,塑性稍有下降。此外,焊接热应力对接头的强度和弯曲性能影响较小,焊接接头在沸腾硝酸中具有良好的耐腐蚀性能,且焊接接头的耐蚀性对焊接热应力不敏感。

SPS烧结Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金在Ringer's模拟体液中的电化学腐蚀行为

采用放电等离子烧结技术制备了Ti-35Nb-7Zr-5Ta(Ti-Osteum)生物医用钛合金。以生物医用金属材料纯Ti(TA1)和Ti-6Al-4V(TC4)合金为对比材料,利用开路电位、动电位极化曲线和电化学阻抗谱等方法研究了该合金在Ringer's模拟体液中的电化学腐蚀行为及其腐蚀机理。结果表明:与TA1和TC4合金相比,SPS烧结的Ti-Osteum合金在模拟体液中具有最小的腐蚀电流密度和较小的钝化电流密度、较大的容抗弧以及接近的腐蚀电位,从而显示了优于TC4和TA1的良好耐腐蚀性能。SPS烧结Ti-Osteum合金在模拟体液中耐腐蚀性优异的主要原因是具有单相β型组织,并且表面出现稳定的复合氧化物钝化膜。

Ni_3Ta合金的微观组织结构和相变特性

采用光学显微镜、背散射电子图像、X射线衍射、电子探针、差示扫描量热法和透射电子显微镜研究了Ni3Ta合金的微观组织结构和相变特性.结果表明:Ni3Ta合金在经过1 200℃保温4h的热处理后,主要由大量Ni3Ta相和少量Ni2Ta析出相组成,其中Ni3Ta相有单斜和四方两种结构.单斜Ni3Ta相为典型的细小板条状马氏体形状,其板条宽度为0.1～0.3μm,且存在以(001)晶面为孪晶面的典型孪晶结构.Ni3Ta合金在升温和降温过程中存在单斜Ni3Ta相和四方Ni3Ta相的可逆相变,相变开始温度分别约为310和245℃.另外,在升温过程中还存在单斜Ni3Ta相向正交Ni3Ta相的转变,其相变开始温度约为310℃,但降温过程中并不存在由正交Ni3Ta相到单斜Ni3Ta相的逆转变.

W-5Ta合金的高温自离子损伤及热回复试验研究

钨-钽(W-Ta)合金研究对聚变堆钨基材料的研发与服役可靠性评价具有重要意义。本研究围绕热锻W-5%Ta(质量分数)合金开展了高温自离子辐照损伤(2 MeV W^(+),800℃/1.2 dpa)及热回复试验(1000℃/1 h)。采用透射电镜显微缺陷表征方法,证实了高温辐照态样品中出现了大量位错环,其中部分位错环的空间分布表现出“筏型组态”特征。经统计分析,在高温辐照态样品中位错环平均尺寸和数密度分别达到(7.1±1.8)nm和(1.5±0.2)×10^(22)m^(-3);而在辐照后退火态样品中,位错环平均尺寸增加至(10.4±6.5)nm,数密度下降至(1.1±0.1)×10^(22)m^(-3),辐照孔洞开始出现。结合相关文献,依据辐照缺陷的尺寸、数密度指标讨论了金属W中辐照缺陷在第Ⅳ、Ⅴ回复阶段下的演化机制以及Ta元素的作用。比较发现Ta的钉扎作用延缓了辐照位错环的尺寸粗化与数密度下降趋势,而Ta对辐照孔洞的演化影响甚小。

Nb-7Ta合金再结晶退火温度研究

研究了退火温度对棒材组织、硬度及力学性能的影响,确定了变形量对铌钽合金棒再结晶退火温度的影响规律。结果表明,随变形量的增大,材料的再结晶退火温度降低。变形量为90%时,锻造棒材的再结晶退火温度为1000～1050℃;变形率95%时,轧制棒材的再结晶退火温度为950～1000℃。

Ti-6Ta合金封头的研制

设计了3种方案对新型α型Ti-6Ta合金板材进行封头冲压成形试验,在冲压的封头不同部位取样进行压扁、拉伸、硬度、金相等相关检测和分析。结果表明：Ti-6Ta合金封头不适合采用冷冲压成形法成形;在Ti-6Ta合金板材表面涂敷高温防氧化涂层,采用315 t四柱油压机,在680~700℃温度下进行热冲压成形,能够得到表面质量良好的规格为219 mm×7.42 mm的Ti-6Ta合金封头;封头的组织形貌与原始板材相比无明显变化,其压扁工艺性能合格,强度及硬度与母材基本相当,可以满足Ti-6Ta合金承压设备的制造要求。

固溶温度对Ti-Ta合金微观结构及阻尼性能的影响

将真空熔炼制备并冷轧后的Ti-32Ta合金依次在600、700和800℃下进行固溶处理,通过光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、DSC热分析仪、DMA动态力学分析仪等对其进行微结构和阻尼性能表征,研究固溶处理温度对Ti-32Ta合金微观结构和阻尼性能的影响。结果表明,Ti-32Ta合金的再结晶温度在700~800℃之间,600℃固溶处理样品的组织为未再结晶组织,700℃和800℃固溶处理样品的组织中再结晶等轴晶粒随温度的升高而增多;Ti-32Ta合金经固溶处理后相变点Ms提高,600℃和700℃固溶处理样品的相变温度,相比于未固溶处理时的相变温度440 K(167℃)提高了39℃,800℃固溶处理样品的相变温度提升了18℃;固溶温度对Ti-32Ta合金的阻尼性能影响不明显,但工作温度对阻尼性能有较大的影响,当工作温度升高到150℃以上,材料的阻尼性能随温度升高呈现迅速升高的趋势。

GO掺杂对TA1钛合金等离子体电解氧化涂层硬度和耐磨性能的影响

本研究在掺杂氧化石墨烯(简称“CO”)的硅酸盐电解液中对TA1钛合金进行等离子体电解氧化处理,旨在获得较高硬度的等离子体电解氧化陶瓷涂层(PEO)。通过表征涂层的物相组成、表面与截面形貌、粗糙度、显微硬度、摩擦因数以及结合力等参数,分析了CO浓度对涂层性能的影响。研究结果表明,CO参与涂层的形成过程,能够有效地减小微孔和裂纹尺寸,表面粗糙度降低。涂层厚度虽然略有降低,但致密性显著增加。与未掺杂GO的PEO涂层相比,当GO掺杂量为0.6g·L^(-1)时掺杂GO的PEO涂层显微硬度提升18.54%,摩擦系数降低84%,临界载荷强度提高32.59%。

激光选区熔化成形工艺对TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形技术制备TA15钛合金,通过光学显微镜(Optical microscope,OM)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)和室温拉伸等研究了激光功率和扫描速度对SLM成形TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响规律。结果表明:在低激光功率(100~125 W)、高扫描速率(1200~1600 mm/s)区域,激光能量密度较低,合金内部缺陷主要为不规则形状的缺陷;在高激光功率(150~200 W)、低扫描速度(800~1000 mm/s)区域,激光能量密度过高,合金内部缺陷主要为规则球形缺陷。规则球形缺陷的存在会导致合金塑性显著降低、对强度影响较弱;而不规则未熔合缺陷的存在会显著降低合金强度和伸长率。TA15钛合金的最佳工艺参数:激光功率为200 W、激光扫描速度为1600 mm/s时,成形合金拉伸强度为(1291±4.2)MPa,断裂伸长率为(8.5±0.5)%。

TA18钛合金TIG焊接头组织及耐腐蚀性能研究

采用2B实芯焊丝对12 mm厚的TA18钛合金板进行了TIG焊试验,研究了TA18钛合金TIG焊接头的显微组织,不同腐蚀介质中的电化学和应力腐蚀行为。结果表明:TA18钛合金接头焊缝区域分布大量粗大的柱状晶和少量等轴晶,在盖面、打底及中间填充层存在部分网篮组织;热影响区主要由针状的α’(α’)相、残余α相和β相组成。在3.5%NaCl溶液中进行电化学腐蚀试验,TA18钛合金接头各区域的耐腐蚀性能从高到低为:母材>焊缝>热影响区。比较TA18钛合金接头在大气环境和模拟海水环境中的慢应变速率拉伸应力-应变曲线,表明该接头的力学性能受海水影响不明显,且对海水的应力腐蚀敏感性较低。

钛合金TA7铣削加工特性研究

TA7钛合金高强度和低热导率的特点使其成为典型的难加工材料。为了研究钛合金TA7的铣削加工特性,开展了钛合金TA7铣削实验,研究切削参数对TA7切削特性的影响规律。基于MINITAB分别建立了切削力、表面粗糙度与切削参数的回归模型,并分析了切削力、表面粗糙度、残余应力与切削参数的响应关系,揭示了切削参数对切削力时域和频域信号、已加工表面形貌与残余应力影响规律。

TA1钛合金药型罩剪切旋压成形塑性变形规律的数值模拟研究

目的TA1钛合金作为药型罩材料,具有提高穿深和侵彻孔径的优异表现,但其剪切旋压成形过程中塑性变形规律复杂且难于控制,以期通过有限元数值计算解析多工艺参数的协同作用。方法建立了TA1薄壁锥形件结构旋压加工过程的三维非线性热-力耦合有限元模型,研究了TA1从圆形板坯到锥形件旋压全过程的金属塑性变形行为、应力及应变的变化。采用正交实验分析了旋轮进给速率、芯轴转速与板坯厚度对成形过程的旋压力以及成形样件的内径偏差和壁厚偏差的影响规律。结果结果表明,锥形件侧壁的塑性应变沿母线方向逐渐减小,最大应变值出现在靠近锥形件顶部的小端面位置。旋压载荷随旋轮进给速率与板坯厚度增加而增加,随芯轴转速增加而减小。内径偏差随进给速率与板坯厚度的增加而减小,与芯轴转速的相关性较小。壁厚偏差随进给速率的增加先减小后增大,随芯轴转速与板坯厚度的增加而减小。结论基于数值模拟结果,获得TA1薄壁锥形件的优化工艺参数为:旋轮进给速率300mm/min,芯轴转速260r/min,板坯初始厚度4mm。开展了TA1钛合金剪切旋压成形实验,所得锥形件尺寸与模型计算结果一致,验证了模型的准确性。