用机械涂层技术在Ti-6Al-4V基体表面沉积HA/Ti复合涂层与功能梯度涂层的表征、磨损行为和生物相容性

采用机械涂层技术在Ti-6Al-4V基体表面沉积HA/Ti复合涂层与功能梯度涂层(FGC),对涂层进行表征,对比其磨损行为和生物相容性。制备复合涂层所用初始粉末为50%Ti(质量分数)和50%HA(质量分数)的混合粉末,而FGC分为两层,分别为75%Ti+25%HA和25%Ti+75%HA(质量分数)。XRD结果表明在沉积过程中没有发生相变。此外,由于原始混合粉末中存在Ti颗粒,在涂层和基体之间形成了结合良好的连续界面,特别是在功能梯度涂层样品中。磨损实验结果显示,非梯度复合涂层的摩擦因数约为0.37,在界面处发生突变,而功能梯度涂层的摩擦因数从0.32增加到0.5,在界面处发生平缓变化。磨损表面的SEM像表明涂层的主要磨损机制为磨粒磨损。生物相容性评价结果显示,FGC样品具有更好的细胞黏附和增殖能力。

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。

基于NaCl溶液的射流电解微铣削加工Ti-6Al-4V试验研究

钛合金在航空航天、生物医疗、精密仪器等领域的微小构件制造中的应用前景广阔。基于电化学阳极溶解原理去除材料的射流电解微铣削加工技术在钛合金微细加工方面具有原理优势。然而,在电化学作用下,钛合金表面极易生成致密的钝化膜,导致材料溶解过程难以持续稳定进行。对此,试验测试了Ti-6Al-4V在不同组分和不同浓度电解液中的极化曲线,发现质量分数10%NaCl溶液对钝化膜的破除能力强,且钝化-溶解过程相对稳定。在此基础上,探究了金属喷嘴内径、加工电压、扫描速度对射流电解微铣削加工微槽深宽比和杂散腐蚀范围的影响规律。最后,采用金属喷嘴内径300μm、加工电压35 V、扫描速度75μm/s的优选工艺参数,在Ti-6Al-4V表面加工出平均槽宽为823.1μm(标准差为10.42μm),平均槽深为157.26μm(标准差为5.89μm),表面粗糙度为2.006μm(标准差为0.088μm)的方形螺旋微结构。

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.

激光增材制备Ti-6Al-4V/TiC金属陶瓷熔覆层组织与性能强化

Ti-6Al-4V合金因具有良好的强度、塑性、韧性、耐蚀性以及可焊性,在航空航天以及化工装备制造领域具有广泛应用,但其硬度以及耐磨性不高等性能短板,一定程度上限制了其摩擦磨损工况下的服役寿命。本研究基于激光熔覆优化工艺方法,增材制备具有TiC添加相的Ti-6Al-4V合金同质金属陶瓷熔覆层,表征并验证TiC增强相对熔覆层组织以及基本力学性能的强化作用。结果表明:熔覆层主要物相包括α-Ti,β-Ti以及TiC,其中TiC在熔覆层内过饱和析出,且受熔覆层不同位置过冷度差异影响,析出的TiC在熔覆层顶部以细小的颗粒状为主,而在熔覆层中部则主要呈树枝及花瓣状析出,熔覆层底部新增了麦穗状的析出形状,而稀释区则未见明显TiC析出。熔覆层平均显微硬度为530HV0.5,较基体提升了61%;在35 N载荷下,熔覆层平均摩擦因数为0.3583,较基体降低了11%,体积磨损率约为基材的87%,磨损形式为黏着磨损和磨粒磨损。

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。

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。

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。

多孔Ti-6Al-4V医用金属植入材料对骨髓间充质干细胞活性和成骨特性的作用

目的初步研究多孔(Ti-6Al-4V,TC4)金属支架的成骨分化作用和对SD大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的细胞毒性作用。方法SD大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)原代细胞的培育,采用体外全骨髓贴壁的方法进行;rBMSCs表型鉴定采用流式细胞术;实验组TC4支架分别为圆形9、16、64孔,方形25、64孔,对照组为无孔,都采用选择性激光熔化(SLM)制备;在TC4上接种rBMSCs,用扫描电镜(SEM)观察48 h后的细胞形态和黏附状况,利用CCK-8对TC4的细胞毒性作用进行检测;用酶标法定量到第7、14天测碱性磷酸酶(ALP),用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测骨连接蛋白(on)、I型胶原蛋白(col 1)这两者成骨基因的表达,于21 d时行茜素红染色。结果扫描电镜显示:小孔径TC4金属支架更利于rBMSCs细胞黏附;CCK-8结果显示:大孔径支架细胞增殖活性更高,圆形9孔为最高(第7天OD平均值0.69);ALP活性测定显示:ALP活性随着孔径减小而提高,圆形和方形64孔组ALP活性最高(第14天圆形64孔、方形64孔组ALP平均值分别为1.75金氏单位/gprot、1.61金氏单位/gprot);qRT-PCR检测显示:成骨基因表达水平随着孔径减小而提高,圆形和方形64孔组on和col 1表达水平最高(第14天圆形64孔on和col 1平均值分别为2.17、2.29;方形64孔on和col 1平均值分别为1.70、1.81);茜素红染色显示:圆形和方形64孔支架组橘红色钙化结节相较于对照组颜色更深,面积更大。结论由SLM制备的多孔TC4支架对rBMSCs无细胞毒性,并且能促进其增殖,较大孔径对rBMSCs增殖有益,较小的孔径更利于rBMSCs黏附及成骨分化。

冷却方式对Ti-6Al-4V合金组织与力学性能的影响

选取Ti-6Al-4V合金棒材作为试验材料,对其进行热处理,随后采用水冷、空冷与炉冷三种方式冷却,研究冷却方式对合金组织与力学性能的影响,结果表明:合金经三种冷却方式处理后,水冷与空冷的微观组织较为接近,而炉冷的组织粗化明显,合金经水冷处理后,组织中析出α'相,经空冷与炉冷处理后,并无α'相析出,合金经水冷处理后,强度最大,其次为空冷、炉冷,而塑性趋势与强度相反。

Ti-6Al-4V钛合金热处理性能的研究进展

从热处理工艺对Ti-6Al-4V(TC4)钛合金的显微组织、力学性能及摩擦磨损性能等的影响这些方面,综述了该合金的热处理研究进展,对热处理过程中合金的性能变化进行了梳理,总结了合金在不同热处理工艺后的组织及性能,以期为热处理在钛合金的相关研究和应用提供参考。

基于摩擦和温度修正的Ti-6Al-4V钛合金热变形本构模型建立

Ti-6Al-4V是民航客机应用最广泛的中高强度钛合金,在锻造领域,数值模拟准确性依赖于高准确度的材料模型.本工作基于热压缩模拟方法,在不同变形温度(750、800、850、900和950℃)和应变速率(0.001、0.01、0.1、1和5 s^(-1))下,针对变形量为60%的Ti-6Al-4V合金,考虑鼓度因素影响,对真实应力-真实应变曲线进行了摩擦和温度修正,并进一步构建了该工况条件下的本构模型.对比实验结果,修正后的流变应力值低于实际测量值,且随着应变量和应变速率的提高、变形温度的降低,二者之间的差值也逐渐增大.本工作分别建立了Ti-6Al-4V双曲正弦式以及用Z参数表达的材料本构模型.真实应力应变曲线的摩擦和温度修正对提高材料模型的准确性具有指导意义,同时对提高数值模拟精度具有参考价值.

高能喷丸制备具有表面梯度结构的Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹扩展行为

通过高能喷丸(HESP)在Ti-6Al-4V合金表面成功制备梯度结构,并研究其对疲劳裂纹扩展的影响。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪对HESP过程中的显微组织和残余应力演变进行表征。结果表明,材料表面形成的梯度纳米结构具有220μm深度的残余压应力层。梯度纳米结构的产生能改善合金的强塑性匹配。最大残余压应力产生于次表层,且随着喷丸时间的增加逐渐增大。HESP处理有效降低裂纹扩展速率,提高疲劳裂纹扩展寿命。残余压应力可降低裂纹尖端的有效应力强度因子范围(ΔK’eff),从而产生裂纹闭合效应并延缓裂纹扩展。同时,晶粒细化引起的晶界增加、有效滑移长度减小和裂纹尖端塑性区的协同作用也会使裂纹扩展阻力增大。

面向高速切削的钛合金Ti-6Al-4V动态本构模型:综述

高速切削是实现钛合金等难加工材料高效、高质量加工的有效技术方法。钛合金高速切削加工过程具有高温、高应变和高应变率的热力强耦合非线性动态特征。为了准确描述高速切削时钛合金动态力学行为,对钛合金动态本构模型的研究进行综述。以钛合金Ti-6Al-4V为研究对象,从唯象模型和物理学模型的角度,分析了Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Bammann模型的适用条件及优缺点。经综合比较,选取Johnson-Cook模型开展进一步探究,并且基于温度影响和竞争机制影响对Johnson-Cook修正模型进行分类,Johnson-Cook修正模型的预测精度与经典模型的预测精度相比均有所提高;同时提出可将构建唯象-物理学复合本构模型作为探究钛合金动态本构模型的重点方向,采取实验与计算机同步方法得到本构模型参数的最优解,从而提高动态本构模型的预测精度。

固溶温度对Ti-6Al-4V-4Mo合金组织与力学性能的影响

对Ti-6Al-4V-4Mo合金进行不同温度固溶+550℃×6 h时效处理,研究了不同温度固溶处理对Ti-6Al-4V-4Mo合金组织与力学性能的影响。结果表明:在800~860℃,随着固溶温度的升高,时效处理后Ti-6Al-4V-4Mo合金中析出的弥散相逐渐增多,晶粒未明显长大。固溶温度达到890℃时,时效处理合金中的弥散相发生聚集,晶粒有长大趋势。在800~920℃,随着固溶温度的升高,时效处理后Ti-6Al-4V-4Mo合金的抗拉强度、屈服强度逐渐升高,伸长率逐渐降低。860℃固溶+550℃×6 h时效处理Ti-6Al-4V-4Mo合金强塑性匹配最佳,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为1124 MPa、996 MPa和14.6%。

面向Ti-6Al-4V合金的开缝芯棒孔挤压强化次数研究

为了探究挤压强化次数对开缝芯棒性能的影响,实现孔挤压强化工具的可重复使用,分析了开缝芯棒孔挤压强化工艺,开展了开缝芯棒20次孔挤压强化Ti-6Al-4V合金试验,研究了挤压强化次数对开缝芯棒孔挤压强化效果的影响。结果表明,开缝芯棒20次孔挤压强化过程中,挤压力、工作环直径和孔结构孔径波动平缓,未发生显著变化;开缝芯棒的挤压部位存在划痕,工作环直径与孔结构孔径的变化在加工误差范围内;开缝芯棒的划痕对Ti-6Al-4V合金孔结构挤压强化效果影响不大,开缝芯棒孔挤压强化能够实现孔挤压强化工具的重复使用。

超声滚压Ti-6Al-4V微观组织对应力应变行为的影响

目的通过超声滚压提高Ti-6Al-4V的屈服强度。方法将超声振幅作为唯一变量,设置0、5、7、10μm4组试验,分析Ti-6Al-4V被加工表面及表面以下30~50μm处的应力应变行为。通过X射线衍射仪(XRD)测试不同超声振幅下Ti-6Al-4V的两相分布。采用扫描电子显微镜(SEM),分析不同超声振幅下Ti-6Al-4V表面层塑性变形程度。使用能谱仪(EDS)观察不同超声振幅下Ti-6Al-4V表面层元素组成分布。通过万能试验机获得不同超声振幅下Ti-6Al-4V的应力应变曲线。结果Ti-6Al-4V表面层塑性变形程度随着超声振幅的增大而增大。Ti-6Al-4V被加工表面的β相体积分数随着超声振幅的增大呈先减小后增大的趋势。当超声振幅为7μm时,Ti-6Al-4V被加工表面β相的体积分数最大(19.70%)。超声滚压Ti-6Al-4V表面层中β相的体积分数沿深度递减。Ti-6Al-4V表面层α相稳定元素Al和β相稳定元素V未出现明显与两相体积分数相同的变化趋势。Ti-6Al-4V材料的屈服强度随着超声振幅的增大呈先减小后增大的趋势。当超声振幅从5μm增至10μm时,Ti-6Al-4V的屈服强度依次为1.06、1.03、1.16 GPa,相较于在无超声加工下的Ti-6Al-4V屈服强度(0.91 GPa)分别提高了约16.48%、13.19%和27.47%。结论超声振幅的增大,可以增大滚压过程中Ti-Al-4V的塑性变形程度。合适的超声振幅,可以改变Ti-6Al-4V表面层两相分布。经超声滚压后,Ti-6Al-4V的屈服强度受到材料塑性变形和两相分布的共同影响,且Ti-6Al-4V的塑性变形程度对屈服强度的影响更大。

选区激光熔化Ti-6Al-4V合金微观组织结构研究进展

选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术是一种金属增材制造技术,具有灵活调控、近净成形和快速制造的特点,近年来普遍用于Ti-6Al-4V合金的生产制造,并在航空航天、生物医疗等领域广泛应用。由于该工艺的特殊性,SLM Ti-6Al-4V合金微观组织结构明显不同于传统Ti-6Al-4V铸锻件,通常呈强度高、塑性低的力学性能特点。分别从合金的物相组成、初生β晶形貌、α′马氏体形貌、α′马氏体与位错的相互作用机制、初生β晶与α′马氏体的晶体学取向特征等方面综述了SLM Ti-6Al-4V合金微观组织结构的研究现状,同时对不同后处理工艺下该合金的微观组织结构演变特征及其力学性能进行了简述,最后对未来的工作方向进行了展望,希望能够为SLM Ti-6Al-4V合金的发展、工艺的优化以及力学性能的提高提供参考。

激光参数对Ti-6Al-4V粉末SLM成形质量的影响

为了在金属3D打印产品中获得合适的加工参数,提高金属成形件的产品性能,利用有限元方法对Ti-6Al-4V粉末激光选区熔化(SLM)成形进行模拟。以APDL编程语言建模,逐步施加热源获得成形件的温度场,通过熔池演变研究了Ti-6Al-4V粉末SLM成形过程中材料接合情况;以温度场为载荷研究了SLM成形的应力场和位移场。结果表明:激光扫描速度保持恒定,激光功率增大,熔池的长度、宽度、深度均增大;激光功率保持恒定,扫描速度增大,熔池的长度变大,宽度和深度变小。最后获得了一组能够较好地满足成形需求,成形件不易产生翘曲和开裂的激光参数。

增材制造Ti-6Al-4V合金晶粒形貌调控研究进展

增材制造(3D打印)为复杂零件快速制造、构件高性能修复和产品个性化定制提供了新的技术途径。针对应用较为广泛的Ti-6Al-4V(TC4)合金,3D打印技术的快速发展为TC4合金构件的设计、优化与制造提供了新的动力。然而,大部分3D打印TC4合金中初生β-Ti晶粒通过外延生长形成了贯穿多个沉积层的粗大柱状晶,导致显著的力学性能各向异性。为此,大量的研究工作致力于3D打印TC4合金微观组织与力学性能调控,以改善力学性能各向异性、优化强度与塑性匹配。本文综述了近几年3D打印TC4合金初生β-Ti晶粒形貌调控及其对力学性能影响的研究成果,重点介绍了提高初生β-Ti晶粒形核率和再结晶机制作用下的柱状晶向等轴晶转变的方法,相应的微观组织与力学性能演变规律,以及柱状晶和等轴晶混合组织的科研价值与应用潜力。本文还指出了现有技术的优势与不足,并展望了基于调控初生β-Ti晶粒形貌优化TC4合金强度与塑性匹配的3D打印技术研究的发展方向。