Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金冷氦气瓶低温变形行为研究

Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金具有高强度、高耐腐蚀性及优异的低温力学性能,在航天领域应用广泛。首次采用超塑性等温精密冲压技术研制了大规格Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金冷氦气瓶,并结合其热成形前后显微组织、力学性能、断裂行为的变化,系统掌握了制约冷氦气瓶低温力学性能的因素。研究结果表明,通过降低间隙元素含量、减小α相晶粒尺寸并合理调控晶界形貌特征可有效提升Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金的低温力学性能,其在20K条件下具有优异的塑性变形能力,并且拉伸断口呈现出典型的延性断裂特征,展现出优异的强度和塑性匹配,最终成功研制出合格的130L低温钛合金冷氦气瓶。

Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金低温变形机理研究

为满足我国大型航天运输系统对130 L低温冷氦气瓶的应用需求,采用Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金板材结合超塑性等温精密冲压工艺研制了130 L低温冷氦气瓶,并系统研究了Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金的低温变形机理。研究结果表明,Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金在20 K条件下呈现出滑移+孪生交替进行的变形行为,原始板材的不完全再结晶现象在热成形过程中得以消除,且球体本体的完全等轴再结晶组织及曲折晶界特征可以很好地协调Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金的低温变形过程,使其具备优异的低温力学性能。说明采用的超塑性等温精密冲压工艺是一种研制大规格航天压力容器行之有效的工艺方案。

粉末粒度偏析对Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金拉伸性能的影响

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法制备洁净的Ti-5Al-2.5Sn ELI预合金粉末,用热等静压包套技术制备全致密的Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金。采用常规工艺填充5种不同粒度分布的Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末样品并进行热等静压处理,得到全致密的粉末合金;并采用长时间振实工艺填充一组粉末冶金样品。结果表明:以常规工艺填充的粉末样品制得的5组粉末合金压坯的气体含量处于同一水平,晶粒尺寸最大差异在10μm左右,合金的室温和低温拉伸性能无明显差异。长时间振实工艺填充粉末会引起大颗粒粉末聚集于包套上部、细小颗粒粉末则向下沉降的粒度偏析现象,该现象对粉末合金的室温性能无明显影响,但造成包套端部合金样品的低温塑性显著下降,下降幅度达50%。

粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金稳定性分析

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法制备了洁净Ti-5Al-2.5Sn ELI预合金粉末,并利用包套热等静压工艺制备了全致密的Ti-5Al-2.5Sn ELI合金叶轮。测试了6个不同批次Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的化学成分和力学性能,统计了不同批次粉末合金的性能及成分变化规律。研究结果表明,采用包套热等静压工艺可获得全致密的Ti-5Al-2.5Sn ELI合金,合金成分稳定均匀,力学性能接近锻造合金的水平且稳定性好。采用该工艺制备的Ti-5Al-2.5Sn ELI合金叶轮与包套界面反应小,且组织中晶粒细小均匀,无孔隙缺陷。

热等静压参数对Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金组织与力学性能的影响

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法制备Ti-5Al-2．5SnELI预合金粉末，并对预合金粉末进行表征．研究了热等静压参数对Ti-5Al-2．5SnELI粉末合金显微组织和力学性能的影响．结果表明，热等静压温度和压力的升高有助于提升粉末合金的致密度，当粉末合金的致密度大于99．5％时，粉末合金的力学性能可以达到锻造合金的水平．综合考虑粉末合金的致密度、显微组织和力学性能，Ti-5Al—2．5SnELI预合金粉末优选的热等静压工艺成型窗口为温度890～940℃，压力120MPa以上，保温保压3h．包套对热等静压压力有屏蔽作用，设计不当会降低粉末压坯的致密度．通过优化包套设计、热等静压参数和工艺途径可以有效抑制包套的屏蔽作用，提升粉末合金的致密度．

粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金显微组织研究

采用包套热等静压工艺制备了粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI（extra low interstitial）合金,研究了热等静压温度、粉末粒度、后续热处理温度对合金显微组织的影响。当热等静压温度在800℃时,粉末体压坯显微组织保持颗粒形态,致密度为99.2%;当温度在900~940℃时,显微组织演变为完全致密、细小的等轴晶。在α相区热等静压温度下,包套中的Fe在基体中的扩散不明显;在α＋β、β相区温度下,Fe在β相中向基体快速扩散,影响合金表面质量。粉末粒度越大,合金的平均晶粒尺寸越大,残留孔隙较多。在α相区热处理,显微组织仍为细小等轴晶;当温度升至1000℃时,出现热致孔隙。

Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金的力学性能

用预合金粉末热等静压工艺制备全致密的Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金,研究了粉末粒度组成、真空脱气处理和热处理等工艺因素对Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,全粒度预合金粉末的氧含量和空心粉比例具有良好的匹配,但是粉末粒度偏析使空心粉聚集进而降低粉末合金的低温拉伸性能。钛合金粉末的真空脱气温度不宜超过其最高服役温度,Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金的退火处理温度不宜高于800℃。提高退火温度到两相区则使粉末合金的显微组织发生明显的粗化,粉末合金内部的微量气孔迅速长大形成热致孔洞。优化过程工艺参数和有限元仿真可制备出典型的Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末冶金叶轮零件,其本体力学性能达到锻造合金的水平。

低温Ti-5Al-2.5SnELI的研究现状及应用

低温Ti-5Al-2.5SnELI的应用主要集中在航空航天及军事工业中,民用的较少。目前国内外对该合金锻态、轧制板材研究的较多,而对该合金常温下铸态组织与性能研究的较少,低温性能研究的更少,缺少大量的数据积累,因而限制了该合金在铸件产品中的应用。今后还要对该合金常温、低温铸态组织性能进行研究,完善并予以推广。

热等静压处理对超低温Ti-5Al-2.5SnELI合金铸造组织与性能的影响

研究了热等静压处理对Ti-5Al-2.5SnELI合金铸造组织、抗拉性能、冲击性能的影响。试验结果表明,热等静压处理使铸态的柱状晶粒转变为等轴晶粒,并且使位错发生运动,缠结中的位错重新组合,位错密度下降,内应力得到释放,导致强度下降,塑性提高,冲击性能提高。

Ti-5Al-2.5Sn粉末颗粒界面在热等静压过程中的变化

采用等离子旋转电极 (PREP) Ti- 5 Al- 2 .5 Sn粉末 ,经过热等静压 (HIP)工艺研究原始粉末界面在热等静压致密化过程中的变化。研究结果表明 :由于原始粉末颗粒界面存在成分偏析、氧化和杂质元素富集等 ,在致密化过程中粉末颗粒界面经历了变形、破裂、偏聚和均匀化等一系列复杂的变化过程。同时这些界面物质的存在使得材料的粉末颗粒界面结合力变差。为了避免它对材料最终性能的影响 。

Ti-5Al-2.5Sn合金粉末热等静压压坯的致密化行为及性能

粉末冶金近净成形工艺能够制备性能要求高、结构复杂的钛合金构件。将洁净Ti-5Al-2.5Sn预合金粉末封装在低碳钢材料制造的包套中,采用热等静压进行了粉体的致密化,研究了粉末在热等静压过程中的致密化行为。由于包套对热等静压压力的屏蔽效应,致密化过程后观察到了粉末/包套体的不均匀变形;通过有限元仿真也预测到包套对包套对热等静压压力的屏蔽效应引起的粉末/包套体的不均匀变形。对比了不同致密化成都的粉末合金的力学性能。采用粉末冶金近净成形技术制备了形状复杂的钛合金构件。研究发现,金属包套及内部金属型芯模具的设计非常重要,因为在零件的不同部位粉末/包套体在致密化进程中的收缩比例不尽相同。

Ti-5Al-2.5SnELI合金扩散焊焊接质量的控制

总结了扩散焊基本工艺参数包括温度、压力、时间等对Ti-5Al-2.5SnELI钛合金扩散焊性能和焊接变形的影响.通过选择合适的工艺路线,控制以上工艺参数,并控制焊接变形改善钛合金低温叶轮的焊接质量.采用真空热压(HPV)+热等静压(HIP)工艺路线进行扩散焊接,可获得焊接强度大于710 MPa,焊接变形小于1%的叶轮零件.

Ti-5Al-2.5Sn合金ISM熔炼工艺参数优化设计

运用直接差分方法,建立了感应凝壳熔炼温度场计算模型,并在此基础上模拟计算了熔炼Ti5Al25Sn合金时坩埚内温度变化。提出了合理的功率进给方式。研究了炉料和熔炼功率对熔体最终温度和出液量的影响。优化了熔炼工艺参数,为实际熔炼提供了理论指导。

Ti-5Al-2.5Sn合金冷坩埚感应熔炼过程中Al和Sn元素的挥发研究

利用所建立的模型研究了Ti5Al25Sn合金感应凝壳熔炼(ISM)过程中Al、Sn元素的挥发控制方式,并在此基础上研究了熔体温度和真空室压力对Al、Sn挥发速率的影响。结果表明,实际熔炼条件下Al、Sn的挥发都由界面挥发反应单一控制,真空室压力对挥发速率的影响具有明显的临界值,当压力低于此临界值时,挥发速率几乎没有什么变化,而当压力高于此值时,挥发速率迅速降低。

Ti-5Al-2.5Sn合金焊接组织及成形问题的计算机辅助分析

对Ti-5Al-2.5Sn钛合金激光叠焊接头的超塑性变形行为进行研究,并利用3D-deform模拟分析变形前后的显微组织。模拟研究均表明:上板焊缝较下板焊缝马氏体分布更密集;叠焊焊缝为典型篮网组织;热影响区中针状马氏体含量较少,并且离熔合线越近,含量越多。Ti-5Al-2.5Sn钛合金激光叠焊板超塑性变形能力良好,接头承受变形能力强并且未与母材脱离,试样变形主要发生在母材,破坏也在母材。

外科植入物用Ti-5Al-2.5Fe合金的机械性能及生物相容性

在实验室及扩大试验条件下,研究了专门为外科植入物设计的钛合金———Ti-5Al-2.5Fe合金的机械性能及生物相容性。结果表明,Ti-5Al-2.5Fe合金性能优良,价格低廉,生物相容性好,是理想的生物植入材料。

Characteristics of Faigue Crack Initiation in Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.7Nd-0.25Si Alloy

The characteristics of fatigue crack initiation in Ti-5AI-4Sn-2Zr1Mo-O.7Nd-O.25Si alloy wereStudied. Two modes Of fatigue crack initiation were found. The Nd-rich phase particles displaybetter resistance to fatigue crack initiation than the matrix at lower stress.

显微组织及模拟生物体环境对生物体用Ti-5Al-2.5Fe合金疲劳裂纹扩展特性的影响

以整形外科为中心的金属系生物体用材料有不锈钢(Sus316L)以及Co-Cr-Mo合金，最近耐蚀性和生物体相容性好的钛及钛合金使用量增加。由于Ti-6Al-4V中含有对人体有毒的V元素，为此开发了用铁或铌置换B稳定化元素V的Ti-5Al-2．5Fe和Ti-15Al-7Nb合金，合金分别在ISO和ASTM及ISO标准中登录，期待扩大在生物体上使用。但是对两合金的各种特性研究不够，作为生物体用的重要特性之一的疲劳性能也不例外。

层厚对内燃机用激光选区熔化成形Ti-5Al-2.5Sn钛合金组织与性能的影响

研究了层厚对激光选区熔化(SLM)技术成形Ti-5Al-2.5Sn(Ti-Al-Sn)钛合金试样致密度、显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,随着层厚的减小,激光体的能量密度将会提高,层厚度达到60μm时也同样能够制得致密度大于99.0%的Ti-Al-Sn合金试样。采用SLM工艺得到的Ti-Al-Sn合金试样主要包括3种显微组织,分别为针形α'马氏体组织、针形α'马氏体+岛形αm混合组织以及单纯的岛形αm组织。当层厚增加以及扫描速率变慢时,试样的冷却速率也逐渐降低。当层厚增加后,各个Ti-Al-Sn试样的力学性能测试结果都发生了降低的现象。各个层厚下得到的Ti-Al-Sn试样在室温下进行拉伸测试时都表现为韧性断裂特征。