超高强Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si钛合金的强化行为及模型

基于XRD、OM、SEM和TEM分析,研究超高强Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si钛合金的组织演变及强化行为。结果表明,位错强化和析出强化效应对该合金的屈服强度影响较大。冷轧+再结晶+冷轧+双时效组合工艺可获得1518 MPa的最高屈服强度,这主要归因于显微组织中的高密度残存位错及密集而细小的次生α相。建立复合强化模型,其预测误差在16.6%以内。此外,研究发现次生α相体积分数的增加可以不断强化晶内区域,这使得沿晶断裂开始出现并逐渐占据整个断裂面。

氧含量变化对Ti-38Nb-4Zr-xO合金显微组织及力学性能的影响

采用高真空非自耗电弧熔炼炉对Ti-38Nb-4Zr-xO(x=0,0.3,0.6(质量分数))3种合金进行熔炼,并将他们分别在900、500℃下进行固溶时效1 h处理,运用金相显微镜(optical microscopy,OM)、X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、透射电子显微镜(transmission elec‐tron microscope,TEM)、纳米压痕仪(nanoindenter)、静态热机械分析仪(thermo-mechanical analyzer,TMA)和万能试验机(universal testing machine,UTM)对Ti-38Nb-4Zr-xO合金进行表征,探究氧(O)含量变化对固溶时效合金组织及性能的影响。结果表明:固溶处理后Ti-38Nb-4Zr-xO合金均未检测到淬火马氏体α"相存在,他们均呈现出单一β相组织,其晶粒尺寸大小随着O含量增加而减小;经时效处理后,Ti-38Nb-4Zr-xO合金析出ω相和α相,同时O会延缓(或抑制)上述两相的分解;添加O和固溶时效处理均能使Ti-38Nb-4Zr-xO合金的抗拉强度、弹性模量和硬度提升,O的质量分数在0~0.6范围内,固溶态下每增加0.1的O元素,抗拉强度约提升50 MPa,弹性模量约提升1.5 GPa。

Y/Al-5Ti-1B复合变质对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响

在传统铸造Al-Si合金中存在的粗大树枝晶α-Al相以及针状共晶Si严重割裂基体,显著降低合金的力学性能。为细化Al-Si合金的组织,提升其力学性能,本文使用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)以及万能材料试验机,研究了不同添加量Y/Al-5Ti-1B变质剂(Al-5Ti-1B均为2%,稀土Y分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,质量分数)对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响,并探究了其对Al-7Si合金的变质机理。实验结果表明,当Al-5Ti-1B含量为2%、稀土Y含量为0.4%时,变质效果最佳,共晶Si由粗大针状变为细小颗粒状,长和宽分别减小至2.7和0.8μm,相较于未经变质处理的Al-7Si合金,减小了90.6%和4.7%。合金抗拉强度由原来的168.1 MPa提升至209.1 MPa,增加了24.4%。同时伸长率从6.23%提升至9.62%,增长了54.4%。此外,合金的断裂方式也从脆性断裂转变为韧-脆混合断裂。

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。

水下搅拌摩擦加工Ti-15-3合金的组织及超塑性变形

采用水下搅拌摩擦加工技术制备细晶Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn(Ti-15-3)合金。通过电子背散射衍射对搅拌区(stirring zone,SZ)晶粒细化机制进行分析。用电子万能试验机对SZ试样进行超塑性拉伸。结果表明:SZ高角度晶界比例为74.5%,平均晶粒尺寸为1.8μm,主要的晶粒细化机制为连续动态再结晶;在变形温度为675℃,应变率为3×10^(-4)s^(-1)时,SZ试样的伸长率达到了465%,为超塑性,主要变形机制为晶界滑移,同时伴随连续动态再结晶和β→α相变。

铸态Ti-6Al-xMo合金的微观组织和力学性能

通过非自耗真空电弧熔炼炉制备了铸态Ti-6Al-xMo(x=0、4、8、12、16和20 mass%)合金,采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、硬度测试和压缩实验等研究了不同Mo元素含量的Ti-6Al-xMo合金的微观组织和力学性能。结果表明:随着Mo元素含量的增加,合金发生了α→α′+β→α″+β→β的相变过程。Ti-6Al合金显微组织由分布不均匀的片状α相组成。当Mo元素含量为4 mass%时,合金中出现明显的β晶界和细针状的α′马氏体相;当Mo元素含量增加至12 mass%时,合金中出现细针状的α″马氏体相和不连续的亚晶界;当Mo元素含量增加至16 mass%以上时,合金组织由粗大等轴β晶粒组成。铸态Ti-6Al合金的应力-应变曲线呈现“PLC效应”;Ti-6Al-16Mo和Ti-6Al-20Mo合金的压缩塑性超过50%仍未断裂,表现出良好的塑性;断口形貌表明添加Mo元素后所有合金均为韧性断裂。

添加La对Ti-6Al-4V-1.5Mn合金组织与性能的影响

采用粉末冶金法制备了Ti-6Al-4V-1.5Mn-xLa(x=1、1.5、2和2.5,mass%)合金,利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和电子万能试验机等研究了合金经固溶时效处理后的微观组织和性能。结果表明:添加稀土元素La后,Ti-6Al-4V-1.5Mn合金的组织出现了明显的细化现象,组织中存在弥散分布的稀土氧化物La_(2)O_(3),对基体起到弥散强化的作用。随稀土元素La含量的增加,合金的抗拉强度和伸长率先增加后降低,当La元素含量为2%时,合金的抗拉强度和伸长率最佳,拉伸断口为准解理断裂。

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.

新型Al-Ti-Nd中间合金制备及其对Al-10Si合金的细化变质作用

采用铝原位熔体法制备了一种新型的Al-3Ti-4.5Nd中间合金,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段分析了Al-3Ti-4.5Nd中间合金的组织,探究了Al-3Ti-4.5Nd中间合金对Al-10Si合金显微组织及力学性能的影响。结果表明,当Al-3Ti-4.5Nd中间合金的添加量为0.15%时,Al-10Si合金的宏观组织由粗大的柱状晶细化为细小的等轴晶,二次枝晶臂间距由16.69μm减小到13.44μm;共晶硅由粗大的针状转变为短棒状,平均长度由26.75μm减小到16.47μm;抗拉强度由165.86 MPa提升到177.43 MPa,断后延伸率由4.21%提升到6.72%。合金的质量指标Q由259.50 MPa提升至301.54 MPa,提升了16.2%。Ti_(2)Al_(20)Nd相的能够有效细化α-Al相,稀土元素促进了共晶硅中孪晶的形成,改善了共晶硅的形貌及尺寸。

Ti-62222钛合金热变形行为及变形组织研究

以Ti-62222钛合金为研究对象,对该合金热压缩过程中的变形行为及显微组织演变规律进行了研究。结果表明,Ti-62222钛合金的真应力-真应变曲线总体呈应变软化型,曲线在应变较小时出现峰值。流动应力随着应变值的升高而下降,随应变速率的增大及变形温度的减小而增大。而对其热变形组织的研究发现,随着温度的升高,合金中α相含量减小,β相含量增加,同时α相球化率升高。在大变形量的情况下,α相含量与变形量呈负相关,即变形量越大,α相含量越少;α相球化率随着变形量增大而显著提高。当应变速率处于较高水平时,α相含量随应变速率升高而降低;应变速率对片层α相球化有抑制作用,球化率随应变速率增大而减小。

冷轧Ti-50.8Ni-0.4V形状记忆合金相变和超弹性研究

利用金相显微镜、示差量热分析法和拉伸试验对比研究了冷轧和退火态Ti-50.8Ni-0.4V合金的相变及超弹性。结果表明:退火处理对冷轧合金的相变和超弹性(SE)特性具有显著的影响。具有大量位错塞积的冷轧态合金表现为线性SE,而退火态合金呈非线性SE,350~550℃退火态合金表现为两步相变(A→R→M/M→R→A),形状回复率Rr达到96%,具有优异SE特性。600℃和650℃退火态合金发生完全再结晶,随温度的升高R相逐渐消失,其相变分别为(A→R→M)/(M→A)和(A→M)/(M→A),形状回复率Rr值<29%,其SE特性明显变差。

激光选区熔化制备Ti-15Mo合金微观结构和力学性能的各向异性

采用激光选区熔化(SLM)技术在不同构建方向(与水平方向成0°,30°,45°,60°,90°)下制备Ti-15Mo合金,分析了其微观结构和力学性能的各向异性。结果表明:当构建方向由0°变为90°时,合金的织构取向变化为(001)→(101)→(111);0°和90°构建方向的合金中2°~10°小角度晶界的体积分数较低;0°,30°,45°,60°和90°构建方向的合金的平均晶粒尺寸分别为59.95,33.47,99.98,42.63,72.41μm,平均显微硬度分别为313.92,327.29,294.11,327.48,311.67 HV;0°,45°,60°,90°构建方向制备的合金的抗拉强度分别为866.35,898.78,1055.97,913.7 MPa,屈服强度分别为716.40,767.98,1027.45,808.83 MPa,断后伸长率分别为14.00%,18.97%,12.51%和14.29%。不同构建方向的SLM成形合金存在力学性能各向异性。

激光定向能量沉积Ti-6Al合金的组织与性能研究

激光定向能量沉积成形钛合金具有高效快速、材料利用率高等优势,但其较大的冷却速率及温度梯度等固有特性使得成形的钛合金容易出现各向异性,因此有必要对激光定向能量沉积钛合金不同平面及不同方向上的组织与性能进行研究。选定Ti-6Al合金作为研究对象,采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和电子背散射衍射对激光定向能量沉积Ti-6Al合金物相、微观组织形貌和晶粒特征进行研究。结果表明,合金中只存在单一的α相,该物相为HCP结构;Ti-6Al合金不同成形高度表现出不同的微观组织特征,即沿着构建方向,底部为细小的等轴晶,中间为柱状晶,顶部为等轴晶/近等轴晶。在XOY面的平均晶粒尺寸最小,为22.2519μm;YOZ面存在最大的晶粒尺寸,为38.9408μm。在3个不同平面中,XOY面的小角度晶界体积分数最高,为19.5%;YOZ面小角度晶界体积分数最低,为12.2%。沿Z方向上,即与建造方向平行时抗拉强度最高,为669.94 MPa,相应的伸长率为13.9%;沿X方向上抗拉强度为560.55 MPa,其相应的伸长率最低,为11.4%。

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。

冷轧Al-4Ti-1B变质剂对ZL205A合金组织和力学性能的影响

研究了冷轧对Al-4Ti-1B华夫块变质剂中TiAl3和TiB2相尺寸和形态的影响,及其对ZL205A合金组织和力学性能的影响。结果表明,冷轧能将Al-4Ti-1B变质剂中的杆状TiAl3相碎化成块状,导致TiAl3相尺寸减小,数量显著增加。与未冷轧Al-4Ti-1B华夫块变质剂细化ZL205A合金的晶粒相比,减少1/3加入量的冷轧Al-4Ti-1B华夫块变质剂实现了相当的晶粒细化效果。经T6热处理后,减少1/3加入量的冷轧Al-4Ti-1B华夫块变质合金的塑性比未冷轧华夫块变质合金高4%,但其抗拉强度降低5 MPa。其强度的降低可归因于固溶在基体中Ti原子数量减少导致的Al2Cu强化相数量的减少和尺寸的增大。

热处理时间对Al-4.8Cu-1.8Zn-1Ti-0.6Mg合金力学性能和组织的影响

首先对新型Al-4.8Cu-1.8Zn-1Ti-0.6Mg合金进行了不同时间的530℃固溶处理及不同时间的165℃人工时效处理,随后进行不同时间的自然时效处理。采用电子万能试验机和扫描电镜研究了不同工艺处理后合金的力学性能和微观组织。结果表明:新型Al-4.8Cu-1.8Zn-1Ti-0.6Mg合金经530℃固溶处理8 h及165℃人工时效3 h后,其抗拉强度可达387.72 MPa,屈服强度达245.54 MPa,断后伸长率为9.8%;经15、75和135天自然时效后,合金的抗拉强度分别为422.97、390.09和387.72 MPa,断后伸长率分别为5.03%、8.4%和9.8%。可以看出随着自然时效时间增加合金的抗拉强度降低、断后伸长率升高,最终趋于稳定;热处理后合金内存在3种第二相组织,其中亮银色θ(Al_(2)Cu)相在晶界处粗大析出会导致合金的抗拉强度下降,暗灰色Al_(3)Ti相易聚集,聚集后的粗大Al_(3)Ti相会导致合金的变形能力下降。

Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在流动电解液中的钝化行为及非线性动力学分析

探究Ti-48Al-2Cr-2Nb合金钝化膜的稳定性和形成过程以提高电解加工中的抗杂散腐蚀。通过循环伏安曲线确定了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的钝化电位,通过相空间重构、递归图及其定量分析确定系统的波动程度和稳定性,并运用形核曲线和功率谱密度分析钝化膜的形成过程。结果表明,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在20% NaNO_(3)溶液中的钝化区间为0~1.8 V,进而依次选取0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 V这5个电位的钝化区间,分析动态流场下形核曲线,发现钝化膜的成膜过程主要是扩散的方式控制瞬间形核以及三维生长方式进行,然后通过功率谱密度发现钝化膜的生长过程受到粒子的分形布朗扩散影响。通过分析钝化过程的非线性动力学行为,发现相空间重构的吸引子整体波动程度较小的电位有1.2V和1.4V,且通过递归定量分析,发现1.2V电位下系统具有很强的周期性。

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。