高速子弹侵彻Ti6Al4V合金的热力耦合分析

基于动力学、温度-位移关系和几何非线性原理,采用Johnson-Cook本构模型构建起高速子弹撞击Ti6Al4V数值分析模型,研究了不同速度下子弹着靶时剩余速度的变化及靶板的温升特性及靶板的瞬态应力变化规律进行了分析;分析了距离撞击点不同位置的应力变化规律及碰撞时上下表面的应力变化情况,并分析了子弹撞击Ti6Al4V合金板过程中的冲击能量突变过程。结果表明:通过对比不同速度子弹侵彻Ti6Al4V的数值分析模型,得出子弹初速度大小是影响侵彻过程中各参数变化的重要因素;随着初速度的增大,其碰撞时间减小且剩余速度随初速度的变化规律近似线性递增;碰撞过程中子弹动能转化为整体内能使温度上升,碰撞区域温度随速度增大而增大;瞬态应力的大小及传递速度随子弹速度变化而改变,速度越大,碰撞中心弹性和塑性变形越剧烈,应力值越大。

SLM制备Ti6Al4V合金表层组织的均质化及腐蚀行为研究

采用激光选区熔化(SLM)增材制造工艺制备致密度为97.5%的Ti6Al4V合金,并利用高能喷丸与退火处理复合工艺对垂直建造方向的XOY面及平行建造方向的XOZ面进行均质化处理,然后对原始打印件、喷丸处理以及喷丸+退火处理的3种状态的试样进行电化学性能测试。研究结果表明:经喷丸处理后,原始打印件XOY面和XOZ面的组织趋于均质化,同时组织明显细化;喷丸既不改变衍射峰的位置,也不产生新的衍射峰,但可使衍射峰宽化;对于喷丸后经不同温度退火处理的样品,随退火温度的升高,XOY面和XOZ面的晶粒逐渐长大,在780℃退火后,二者均可获得α+β双相组织。对于原始打印件,XOY面和XOZ面的电化学腐蚀行为存在明显的差异,其中,XOY面的腐蚀倾向更小,耐蚀性能更优。经喷丸+退火处理后,这种差异明显减小,同时耐蚀性能进一步提高,经综合考虑可得喷丸+780℃退火为最佳工艺。

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。

流线形激光织构对Ti6Al4V合金摩擦磨损性能的影响

Ti6Al4V合金因同时具有众多优良的机械性能而成为机械中关键零部件的首选材料,然而,Ti6Al4V合金硬度低、耐磨性差等缺陷限制了其在机械领域更为广泛的应用。鉴于此,研究利用激光织构技术在Ti6Al4V合金表面制备流线形对称织构,在油润滑条件下,通过摩擦实验系统研究了不同参数激光流线形织构对Ti6Al4V合金材料耐磨性的影响。利用SEM、LICHEN电子天平等设备对不同样品表面的磨痕形貌、磨损量等进行表征。实验结果表明,当织构长度为400μm,深度为600μm时,样品的摩擦系数及磨损量较小,减摩效果更好。此外,研究还利用ANSYS Workbench软件对润滑油在织构表面的流动特性进行模拟,发现实验中摩擦系数的减小主要是润滑油在织构作用下流速、流向发生变化导致油膜压力增大而引起的。油膜压力增大能提高油膜的承载力,有效降低摩擦副的摩擦系数。

Ti−6Al−4V合金板材在电脉冲辅助弯曲过程中的显微组织演变及成形性能

在有效电流密度为0~3.2 A/mm^(2)、占空比为10%~70%条件下对Ti−6Al−4V合金板材进行电脉冲辅助弯曲实验。结果表明:当有效电流密度从0增加到2.4 A/mm^(2)时,弯曲成形位移从9.15 mm增加到15.60 mm;同时,裂纹的尺寸和宽度减小。此外,当弯曲位移为8 mm时,回弹角随着有效电流密度的增加而减小。占空比同样影响弯曲角,在30%占空比条件下能获得最小的弯曲角135.0°。板材的热稳定温度随着有效电流密度的增加而增加,但是与占空比呈非线性关系。此外,在电脉冲辅助弯曲过程中出现了晶粒粗化、{0001}织构强度增加和亚晶粒发展。电脉冲使位错密度降低且加速位错的重排,促进α晶粒内亚晶粒的形成,从而改善合金的成形性。电脉冲的非热效应提高了Ti−6Al−4V合金板材的低温成形性,使其与高温下的成形效果类似。

空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V合金离子渗氮组织及性能的影响

目的改善Ti6Al4V合金的耐磨和耐蚀性能,探究辅助渗氮手段的引入对Ti6Al4V合金离子渗氮组织和性能的影响。方法利用空心阴极放电(Hollow Cathode Discharge,HCD)及稀土氧化物(Y_(2)O_(3)纳米颗粒)辅助在720℃对Ti6Al4V合金进行4 h离子渗氮处理。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度测试仪、往复式摩擦磨损实验仪以及电化学工作站,对比研究常规离子渗氮、HCD辅助离子渗氮以及HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮3种条件下Ti6Al4V合金的渗氮组织和性能。结果HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮条件下,Ti6Al4V合金表面生成约126μm厚的渗氮层,分别是常规离子渗氮条件和HCD辅助离子渗氮条件的3.1、2.4倍。化合物层中,TiN含量显著增加,渗氮层表面硬度达到1067.9HV0.05。渗氮层整体硬度明显提高,且硬度梯度降低。Ti6Al4V合金的摩擦系数从常规离子渗氮时的0.4降至0.2。同时,TiN含量的提高,使Ti6Al4V合金在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电流降低,极化电阻增大,耐蚀性能得到改善。结论HCD复合Y_(2)O_(3)辅助可显著提高氮势,促进氮向Ti6Al4V合金内快速扩散,提高合金的硬度,改善合金的耐磨性能和耐蚀性能。

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.

热处理对选区激光熔化Ti6Al4V合金力学性能和耐磨性的影响

系统研究了热处理工艺对选区激光熔化Ti6Al4V合金组织、力学性能和耐磨性的影响。结果表明,沉积态样品组织以针状α'马氏体为主,经固溶处理后,针状α'马氏体分解,Ti6Al4V合金硬度下降。当固溶温度为800℃时,合金形成α'/α结构,其抗拉强度和延伸率分别增加12%和23%。当固溶温度达到900℃以上时,由于α'/α结构的消失、α相晶粒的粗化以及β相含量的增加,合金的力学性能急剧下降,抗拉强度从(935±10)MPa下降到(815±9)MPa,伸长率从(8.72±0.2)%下降到(3.09±0.1)%。随着固溶温度的升高,摩擦系数和磨损率线性增大,与硬度的变化趋势完全相反,且磨损机理由单一磨粒磨损转变为磨粒磨损和氧化磨损。

电化学脱合金Ti6Al4V基台对人牙龈成纤维细胞的影响

目的探讨电化学脱合金Ti6Al4V基台对人牙龈成纤维细胞(human gingival fibroblasts,HGFs)的影响,为种植基台表面改性设计提供实验依据。方法根据试样不同表面进行分组:NC组(阴性对照,光滑表面无其他处理)、NM-1组(纳米网-1,1 mol/L NaOH电化学脱合金处理1 h,电压2 V)、NM-2组(纳米网-2,5 mol/L NaOH电化学脱合金处理1 h,电压2 V)。扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观察不同试样表面形貌及HGFs在其表面的黏附状态,接触角测量仪测定试样表面亲水性。CCK-8评估HGFs在不同试样表面的增殖情况;qRT-PCR检测HGFs在不同试样表面Ⅰ型胶原(collagenⅠ,COL1A1)、Ⅲ型胶原(collagenⅢ,COL3A1)、纤连蛋白1(fibronectin 1,FN1)、黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)、黏着斑蛋白(vinculin,VCL)、整合素α2(integrinα2,ITGA2)、整合素β1(integrinβ1,ITGB1)等黏附相关基因表达水平;免疫荧光染色,激光共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscope,CLSM)观察HGFs在不同试样表面vinculin蛋白表达情况;天狼猩红染色评价HGFs在不同试样表面胶原纤维分泌合成情况。结果SEM观察到NM-1组和NM-2组表面形成有序均一的三维网状结构,网格直径NM-1组约为30 nm,NM-2组约为150 nm;NM-1组和NM-2组对比NC组,水接触角显著下降(P<0.0001);NM-1组细胞增殖能力较NC组显著提高(P<0.01),NM-1组和NM-2组的水接触角及细胞增殖能力差异无统计学意义(P>0.05)。SEM镜下可见HGFs黏附24 h后在各组试样表面均黏附良好,NM-1组和NM-2组细胞与NC组对比伸展面积更大,形态纤长,细胞伪足更发达。qRTPCR结果显示NM-1组中COL1A1、COL3A1、FN1、FAK、VCL等黏附相关基因表达水平显著高于NC组和NM-2组(P<0.01)。vinculin蛋白免疫荧光结果表明,NM-1组vinculin蛋白表达水平最高,单个细胞黏着斑数量最多(P<0.01)。天狼猩红染色结果显示NM-1组胶原纤维分泌合成量最高(P<0.0001)。结论Ti6Al4V经电化学脱合金改性后所构建的三维纳米网状结构有促进HGFs黏附增殖和胶原分泌合成的作用,其中网格直径约为30 nm的NM-1组对HGFs的促进作用明显。

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。

Ti6Al4V钛合金周铣加工表面应力集中系数预测研究

Ti6Al4V钛合金因优异的力学性能被广泛应用于航空、航天等领域。为了实现材料的抗疲劳加工,从应力集中的角度研究了周铣加工表面形貌对Ti6Al4V钛合金疲劳行为的影响。利用所建立的三维表面形貌预测模型生成铣削表面特征,将从表面形貌预测模型得到的表面粗糙度数据分别集成到Arola-Ramulu模型和有限元模型,计算得到不同加工表面的应力集中系数。结果表明,预测和实测的表面形貌在纹理和剖面上显示出良好的一致性,Ti6Al4V钛合金周铣加工表面的应力集中系数与每齿进给量和径向切削深度呈正相关,与切削速度呈负相关,且对每齿进给量的变化最敏感。

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。

退火温度对多向锻造Ti-6Al-4V合金显微组织演变和拉伸行为的影响

为调节Ti−6Al−4V锻件显微组织和力学性能,进行一系列退火处理。结果表明:锻态和退火态组织均呈现由等轴初生α相(αp)和转变β相(βt)组成的双态组织。随着退火温度的升高,次生α相(αs)从β相中析出。组织中没有明显的织构,晶体取向均匀分布。同时,强度呈先增大后减小的变化趋势,而塑性没有明显的变化。在860℃退火处理时,由于析出的细小αs相含量较高,合金具有强度和塑性的良好匹配。所有断口表面均包含大量韧窝,为典型的韧性断裂特征。在断口附近发现微裂纹、微孔洞和扭结αp/αl相(等轴αp相和片层α相)特征。

Ti6Al4V钛合金棒材的制备方法

申请号:CN202211052421.X申请日:2022-08-29公开(公告)日:2023-12-19公开(公告)号:CN115740306B申请(专利权)人:西部超导材料科技股份有限公司摘要:本发明公开的Ti6Al4V钛合金棒材的制备方法包括高温锻造、低温锻造+高温锻造、低温拔长及成形锻造。本发明摒弃了传统的棒材自由锻多火次镦拔的工艺方案,采用高低高工艺,充分利用再结晶与温度和时间的关系,通过高低两个温度段的坯料拔长锻造,采用拔长弹簧砧和成形弹簧砧拔长成形工艺,有效实现Ti6Al4V钛合金棒材组织的细化均匀以及锻造过程中的一致性,且能够大幅提高生产效率及成品率。

固溶与固溶时效热处理对Ti-6Al-4V合金微观组织及力学性能的影响

通过对Ti-6A1-4V钛合金螺栓紧固件的热处理实验,比较分析了固溶及固溶时效热处理对Ti-6A1-4V紧固件的微观组织分布的影响,并通过显微硬度计得到了螺栓紧固件各个位置的显微硬度分布。实验结果表明:Ti-6A1-4V螺栓经过固溶处理后,初生α组织的数量与尺寸减少而针状α组织的数量增多,并且初生α组织出现了即将溶解的状态。经过固溶时效热处理后,等轴状的初生α相组织变成了大晶粒β相的片层组织,组织分布较为均匀。固溶时效件试样的硬度分布更为均匀,固溶时效可以有效地提高螺栓的硬度,从而达到材料的使用要求。

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。

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。