粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金的放电等离子烧结工艺数值模拟与实验研究

选用Ti-22Al-25Nb预合金粉末为实验初始原料,采用放电等离子烧结工艺(SPS)制备组织致密的粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金。采用MSC.Marc有限元软件对SPS过程中粉末的致密化过程进行了数值模拟,分析了烧结温度、保温时间和烧结压力对粉末致密化过程的影响,揭示了粉末相对密度随烧结温度、保温时间和烧结压力的变化规律。根据模拟结果,在950~1 200℃温度区间、50 MPa烧结压力和10~20 min保温时间的条件下,完成系列SPS烧结实验,制备获得Ti-22Al-25Nb合金。系统分析了50 MPa/10 min烧结条件下温度对Ti-22Al-25Nb合金的相对密度、显微组织和力学性能的影响,揭示了烧结合金的断裂机制。实验结果表明烧结合金在950℃/50 MPa/10 min条件下具有最优的综合力学性能,延伸率和屈服强度分别达到8.14%和691.04 MPa。

粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金的真空热压烧结工艺

以气雾化法获得的Ti-22Al-25Nb(at.%)预合金粉末为初始原料,采用真空热压烧结工艺方法制备组织致密、成分均匀的粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金。应用有限元软件MSC.Marc对Ti-22Al-25Nb(at.%)预合金粉末的致密化过程进行数值模拟,分析了温度和压力对Ti-22Al-25Nb粉末致密化过程的影响,揭示了粉末相对密度随温度和压力变化的规律,得到优化的烧结工艺参数,以指导热压实验烧结。通过热压烧结实验制备了组织致密、成分均匀的Ti-22Al-25Nb合金,发现1 050℃/35 MPa/1 h条件下烧结的合金具有最优的室温和650℃高温综合力学性能。

变形量对Ti-22Al-25Nb合金环形锻件组织与拉伸性能的影响

以Ti-22Al-25Nb合金环形锻件为研究对象,观察了不同变形量的环形锻件微观组织,研究了变形量对锻件室温拉伸性能、室温缺口敏感性和高温拉伸性能的影响,分析了断口特征。结果表明:随着变形量的增加,压扁B2晶粒的长短轴之比显著增加,一次初生板条O相含量明显增加,晶界析出相更加断续。变形量的增加同时提高合金的强度和伸长率。当变形量为50%时,环件试样达到了最佳的强度和塑性匹配。因B2晶粒尺寸减小的晶界强化作用和晶界析出相的不连续是合金的强度和塑性升高的主要原因。室温拉伸断口特征以解理刻面为主。随变形量增加,室温拉伸断口上二次裂纹增加,塑性断裂特征增加。

Ti-22Al-25Nb合金盘件B2/β锻工艺优化

采用有限元模拟分析了Ti-22Al-25Nb合金复杂截面盘件的B2/β锻成形过程,发现简单饼坯作为预制坯成形工艺不合理,模锻后盘件应变不均匀显著:鼔筒与辐板连接位置应变过大,而鼔筒端部应变过小,可能造成组织不均匀。通过模拟对预制坯进行了优化,模锻工艺优化后整个锻件的应变均匀性得到显著改善。采用优化后的工艺进行Ti-22Al-25Nb合金盘件锻造试验,所得的盘锻件组织为板条组织,且不同位置组织均匀性较好。

时效温度对Ti-22Al-25Nb合金棒材力学性能的影响

时效温度是影响Ti-22Al-25Nb合金力学性能的重要因素。采用单因素变量法研究了时效温度对Ti-22Al-25Nb合金棒材拉伸性能的影响。结果表明,在800~850℃温度范围内时效,800℃时效的Ti-22Al-25Nb合金棒材,强度高,塑性低,850℃时效的Ti-22Al-25Nb合金棒材的强度低,塑性高。820℃时效的棒材的强度和塑性获得最佳匹配,综合考虑合金棒材的强度与塑性,试验范围内的最佳时效温度为820℃。

Ti-22Al-25Nb合金热处理后不同相含量的比较及其对合金显微硬度的影响

通过对Ti-22Al-25Nb合金设计不同的热处理工艺路线,分别得到β/B2相和O相的两相合金及β/B2相、α_(2)相和O相的三相合金;借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和维氏显微硬度计,研究合金在不同热处理工艺下的组织演变、物相、相含量及显微硬度。结果表明:随着热处理温度的降低,由β/B2相和O相两相组成的Ti-22Al-25Nb合金中,O相和β/B2相的晶粒尺寸都逐渐增大;O相的体积分数逐渐增加,而β/B2相的体积分数逐渐减少;合金的显微硬度逐渐增加。随着热处理温度的降低,由β/B2相、α_(2)相和O相三相组成的Ti-22Al-25Nb合金中,α_(2)相和O相的晶粒尺寸都逐渐增大,而β/B2相的晶粒尺寸逐渐减小;α_(2)相和O相的体积分数逐渐增加,而β/B2相的体积分数逐渐减少;合金的显微硬度逐渐增加。这一研究结果为进一步获得综合性能优异的Ti-22Al-25Nb合金提供了数据参考。

粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金动态再结晶临界表征模型

对粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金进行变形温度995~1075℃、应变速率0.001~1 s-1条件下的热模拟压缩试验。研究了该合金在热加工过程中的流动应力与变形机制,根据Poliak和Jonas提出的临界动力学条件和温度补偿应变速率因子Z,构建了粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金的动态再结晶临界表征模型。结果表明,确定了发生动态再结晶所需激活能为410.172 k J/mol。此外,ε_p可通过Z参数的指数函数形式表示,即:ε_p=0.00011Z^(0.15)。ε_c与临界应力(σ_c)随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小,这说明较小的Z参数能促进粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金动态再结晶行为的发生。

粉末冶金Ti-22Al-25Nb-2V合金的烧结工艺对其组织结构的影响

为了提高发动机材料的高温服役性能并降低自重,采用粉末冶金法制备组织致密的Ti-22Al-25Nb-2V合金。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪和X射线衍射仪(XRD)表征合金的形貌及结构,分析预烧处理、烧结温度和保温时间对合金组织结构的影响。结果表明:预烧处理后,预合金生成了α2相和B2相,边缘产生钝化现象;随烧结温度的升高,O相的晶粒尺寸基本保持不变。在烧结温度900~1000℃,合金组织主要为(α2+B2+O)三相,O相含量较多,基体B2相次之,α2相最少;在烧结温度1050~1100℃,合金中O相和B2减少,新生α'2相增多。保温时间从0.5h增加到1.5h,合金表面的气孔明显减少,致密度逐渐提高。

Ti-22Al-25Nb与TC11异种钛合金的线性摩擦焊接

通过Ti-22Al-25Nb(Ti2AlNb基合金)与TC11((α+β)钛合金)的线性摩擦焊接,研究焊接工艺参数对接头外貌及界面结合率的影响,观察接头附近显微组织,并测试了其显微硬度。结果表明,随着焊接工艺参数,如摩擦时间、摩擦频率和摩擦压力的提高,接头的结合率显著提高;在焊接和随后的冷却过程中,TC11合金侧的热影响区域发生了α→β→α′相变,形成的大量针状马氏体α′相使焊缝区的显微硬度值显著增大;Ti-22Al-25Nb合金侧的热影响区域主要发生了(O,α2)→B2/β相变,随着O相和α2相的减少,该区域金属的显微硬度值显著降低。在合适的工艺条件下,线性摩擦焊接Ti-22Al-25Nb合金与TC11合金能够形成质量完好的焊接接头。

粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金高温变形本构模型

研究了粉末冶金方法制备的Ti-22Al-25Nb合金在变形温度940～1060℃和应变速率0.001～1.0 s^(-1)下的热变形行为。采用双曲正弦函数Arrhenius建立了该合金在高温变形条件下的本构方程。通过六次多项式拟合,将应变量耦合到建立的高温本构方程中,构建了带有应变耦合的本构方程。结果表明:Ti-22Al-25Nb合金的流变应力随着应变速率的增加而增大,随温度的升高而减小,同时出现不连续屈服现象。采用六次多项式拟合得到α、n、Q、ln A的应变耦合函数,建立修正的双曲正弦型Arrhenius方程。该方程预测应力精度达到97.6%。

Ti-22Al-25Nb合金热变形行为研究

在温度940～1000℃、应变速率10-2～50s-1、最大变形程度50%条件下利用Gleeble-1500型热模拟试验机对Ti-22Al-25Nb合金的高温流动应力变化规律进行了研究,分析了热变形参数对流动应力的影响规律,并利用Zener-Hollomon参数建立了该合金的本构关系。试验结果表明,应变速率的降低或温度的升高都会使合金的流动应力降低;变形过程中产生的流动软化现象与温升效应和组织变化有关;高应变速率(≥10s-1)条件下发生的应力不连续屈服现象与晶界突然增殖大量可动位错有关,与固溶原子的钉扎无关。

应用人工神经网络建立Ti-22Al-25Nb合金高温本构关系模型

本构方程是描述材料变形的基本信息和有限元模拟中不可缺少的数学模型,反映了流动应力与应变、应变速率以及温度之间的相互关系。文章运用Gleeble-1500热模拟机对Ti-22Al-25Nb钛合金试样进行等温压缩变形试验,以试验所得数据(变形温度940℃～1030℃,应变速率0.001s-1～1s-1)为基础,采用BP神经网络的方法建立了该合金的高温本构关系,并与传统回归拟合的方法计算出的结果进行了对比。结果表明,BP神经网络本构关系模型的预测精度明显优于传统公式的计算结果,而且模型还可以很好地描述该合金在高温变形时,各热力学参数之间的复杂非线性关系,为该合金本构关系方程模型的建立,提供了一种便捷有效的方法。

β锻造Ti-22Al-25Nb合金的组织转变与拉伸性能

采用SEM等方法观察经β相区温度锻造的Ti-22Al-25Nb合金在β相转变点以下不同热处理过程中的微观组织转变,测试所得组织状态下的合金拉伸性能。对该合金的微观组织转变规律以及与拉伸性能的关系和机理进行分析。结果表明,在固溶处理过程中,组织中原有的α2相颗粒和O相板条因溶解而减少,B2相基体含量相应增大;固溶处理温度升高可加剧各相含量的变化趋势,并在这一过程中伴随着B2相的再结晶且α2相和O相的存在对B2相的再结晶有限制作用;在时效过程中,O相以细小二次板条形式从B2相基体中析出,或在残留的α2相颗粒周边以块状形式生成。该合金经不同固溶+时效处理后均具有良好的室温及高温拉伸性能;且因固溶温度升高造成细小O相二次板条含量增多而使合金呈强度升高、塑性下降的趋势,其中以1000℃固溶+800℃时效处理的状态具有强度和塑性的最佳匹配。

放电等离子烧结制备Ti-22Al-25Nb合金及致密化机理

以Ti-22Al-25Nb(摩尔分数,%)预合金粉末为实验初始原料,采用放电等离子烧结工艺(SPS)方法,在温度为950~1200℃,保温时间为10~20min,压力为35~80MPa的条件下制备晶粒小、组织致密的粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金。研究烧结温度、烧结压力和保温时间对预合金粉末致密化过程的影响,分析粉末的烧结致密化机理,揭示烧结温度、烧结压力和保温时间对Ti-22Al-25Nb烧结合金的相对密度、相组成、显微组织以及力学性能的影响规律,明确烧结合金的室温断裂机制。结果表明:经950℃、80MPa、10min烧结的Ti-22Al-25Nb合金相对密度达到99.43%,具有更优异的综合力学性能,其室温伸长率、屈服强度和抗拉强度分别达到9.38%、933.57MPa和990.01MPa。

Ti-22Al-25Nb合金板条组织不同热处理状态的拉伸性能研究

研究了Ti-22Al-25Nb合金在B2相区锻造后锻态、固溶态和固溶时效态的室温拉伸性能。结果表明:固溶态组织的屈服强度最高,抗拉强度最低,塑性最好。经过固溶时效后抗拉强度明显提高,屈服强度和塑性显著下降。锻态组织的强度和塑性与固溶时效态组织接近。断口分析表明,锻态和固溶时效态断口以准解理断裂为主,固溶态组织呈现出类似韧窝断裂的塑性断裂特征。固溶态试样的屈服强度最高的原因是B2相中Al元素相对含量比锻态和固溶时效态的高。

湿法球磨元素粉放电等离子烧结制备Ti-22Al-25Nb合金

采用湿法球磨将Ti、Al和Nb单质粉混合,通过放电等离子烧结工艺在不同温度下制备Ti-22Al-25Nb合金。用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及差热分析法对混合粉末和烧结试样的形貌、物相结构、热稳定性进行表征;用摩擦磨损试验机分析材料的摩擦性能,以及不同烧结温度对Ti-22Al-25Nb合金显微组织和性能的影响。结果表明:通过湿法球磨能将Ti、Al和Nb单质粉混合均匀,合金元素间未发生反应;烧结温度为1 000~1 300℃,随烧结温度的增加,材料的致密度和组织均匀性提高,1 000~1 200℃试样存在大量孔洞和Nb偏析,当达到1 300℃时,试样中几乎无孔洞和Nb偏析,组织分布均匀,由典型的α2、O和B2相组成;硬度随烧结温度的升高而增大,在1 300℃的烧结温度下硬度值达到429HV,相对于1 000℃下试样的硬度值提高9%;摩擦因数和磨损体积随烧结温度的增大而减小,在1 300℃下,试样摩擦因数为0.4,磨损体积为9×10-4mm3/m。

时效处理对Ti-22Al-25Nb合金线性摩擦焊接头组织和力学性能的影响

对Ti-22Al-25Nb合金线性摩擦焊接头进行840℃×2 h的时效处理,研究了焊接头的组织和力学性能。结果表明,焊接头主要分为3个区域,分别是焊缝区、热力影响区和母材区。焊缝区组织以B2相为主,α2相和O相的数量相对较少。热力影响区仅有少量的α2相和O相转变为B2相,且α2相形态变化不大。EBSD分析结果表明,母材的晶体学取向无法遗传到最终的焊缝组织中。经过840℃时效处理后,焊缝区发生了动态再结晶并析出了O相。在热力影响区,α2相的分解并不充分,可以观察到rim-O相围绕α2相析出。母材区O相有所长大,而α2相的形态无明显变化。时效处理之后细晶强化与O相的析出强化作用显著提高了焊接头的力学性能。

不同焊接方法焊接Ti-22Al-25Nb合金

脉冲钨极惰性气体焊接方法、活性剂钨极惰性气体焊接方法和超音频脉冲钨极惰性气体焊接方法分别用于焊接Ti-22Al-25Nb合金。对不同焊接方法获得的焊接接头进行显微组织观察、拉伸性能测试和显微硬度测量。脉冲钨极惰性气体焊接接头的熔合区中柱状晶很少,热影响区中晶界严重过烧;活性剂钨极惰性气体焊接接头完全焊透,在其熔合区的柱状晶是无序排列的;超音频脉冲钨极惰性气体焊接接头的焊缝中心有一小块区域是等轴晶,且在热影响区附近没有明显的晶界过烧现象。通过分析比较观察和测试的结果,发现使用超音频脉冲钨极惰性气体焊接方法获得的焊接接头是最优的,具有最高的抗拉强度和显微硬度。

Ti-22Al-25Nb合金电子束焊接及焊后热处理工艺

使用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射谱仪(XRD),研究了不同温度热处理后Ti-22Al-25Nb合金电子束焊接接头显微组织,对接头拉伸性能及断口分析后认为,经过850℃保温2h空冷的热处理可以有效地改善接头的室温和高温拉伸性能。

等温锻造应变速率对Ti60/Ti-22Al-25Nb双合金焊件组织及性能的影响

通过等温锻造对Ti60/Ti-22Al-25Nb双合金焊件焊接界面进行了强化,研究了应变速率对等温锻造过程中母材和焊接接头组织的影响,并对锻后和热处理后的双合金件进行了室温力学性能测试。结果表明,经等温锻造后,焊缝原始粗大枝晶被破碎并发生动态再结晶形成细小等轴晶粒。焊接时形成的偏析、孔洞、夹杂等被压实或者压合,使组织变得更加紧密。焊缝中针状脆性O相和马氏体α'相在高温下发生分解,分别形成α_2相和α+β相,而分解后形成的α/α_2相被变形破碎并发生球化。当应变速率为0.001 s^(-1)时,等轴α/α_2相占比较大,且更加细小。弥散分布的细小等轴α/α_2相较好地强化了焊缝。经0.001 s^(-1)应变速率等温锻造后,合金的强度和塑性都得到大幅提高,综合性能匹配较好。