激光选区熔化成形Ti-6Al-4V薄壁结构的断裂行为与断裂机制研究

采用实验与断口形貌分析方法系统研究了姿态摆放、工艺制度及设备刮板对激光选区熔化成形Ti-6Al-4V钛合金薄壁结构的断裂行为与断裂机制的影响。结果表明:不同姿态试片拉伸断口形貌中的韧窝大小与形态以及力学性能均表现出一定的各向异性;成形仓氧含量由0.2‰以下突变为2.5‰,持续约1 h后又降回0.2‰以下,再持续约5 h后,钛合金薄壁结构在刮板轻微刮蹭下断裂产生准解理断裂形貌;完全退火态试片拉伸断口形貌中的韧窝更细密且更深,韧窝大小分布更均匀,强塑性等力学性能也更匹配;刮板铺粉方向终止端附近的粉末粒径增大,易产生气孔与球化等冶金缺陷,引起刮板蹭断钛合金薄壁结构产生韧窝断口形貌,且韧窝中气孔的大小和数量沿刮板铺粉方向增大、增多。

微量Ti-6Al-4V掺杂对SLM打印纯钛机械性能与显微结构的影响

目的:探究选区激光熔化(selective laser melting,SLM)打印制造的添加微量Ti-6Al-4V粉末的纯钛材料,在两种不同热处理温度(650℃,2 h和700℃,2 h)及不同扫描速度(1000 mm/s和500 mm/s)下的机械性能。方法:制备SLM打印的试样,测试材料的机械性能,观察拉伸试样的断口形貌及显微结构。结果:SLM打印的纯钛试样的极限拉伸强度在1000 mm/s扫描速度时高于500 mm/s扫描速度时的25%;在650℃及700℃不同热处理条件下,650℃,2 h在两种扫描速度下都表现出更加优异的机械性能,但延伸率在700℃,2 h在低扫描速度组更高。结论:添加微量Ti-6Al-4V粉末后打印的纯钛材料相较于Ti-6Al-4V合金更能满足口腔修复体的要求。

激光冲击强化对Ti-6Al-4V榫齿结构高低周复合疲劳性能的影响

为了探究激光冲击强化对Ti-6Al-4V合金榫齿结构高低周复合疲劳行为的影响,本文对经过激光冲击强化处理的Ti-6Al-4V榫齿结构的表面完整性特征和高低周复合疲劳性能进行测试。结果表明:相比于未经过激光冲击强化处理的原始榫齿结构,激光冲击榫齿结构的高低周复合疲劳寿命提高729%。激光冲击改变了榫齿结构接触区域的微动磨损特征。原始榫齿结构表现为大尺寸的脱层磨损坑,坑底部诱发微裂纹并向基体内扩展,而激光冲击榫齿结构表现为小尺寸脱层薄片。此外,激光冲击还降低榫齿结构的疲劳裂纹扩展速率。激光冲击强化抗高低周复合疲劳作用显著,这主要归因于激光冲击强化层改变疲劳裂纹萌生方式,并抑制裂纹早期扩展。

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。

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。

Ti-6Al-4V六槽深浅腔动静压轴承刚度数值分析

针对传统材料制造的动静压轴承刚度较差的问题,提出一种基于Ti-6Al-4V材料制造六槽深浅腔交错分布的动静压轴承。利用ANSYS有限元软件建立六槽深浅腔动静压轴承流固耦合模型,研究轴径间隙、转速以及偏心率对QSn4-3轴承和Ti-6Al-4V轴承刚度的影响规律。结果表明:钛合金材料制成的轴承刚度优于传统锡基合金材料制造的轴承,各工况参数中,轴径间隙对轴承刚度的影响最为显著,其次是偏心率。该研究可为钛合金滑动轴承的数值模拟和设计提供参考。

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。

电子束熔丝增材制造Ti-6Al-4V钛合金研究进展

电子束熔丝增材制造技术因其电子束能量密度高、所处真空环境等优势,逐渐成为金属增材制造领域的研究热点之一。回顾了电子束熔丝增材制造技术的发展历程及现状,介绍了一种新型电子束熔丝增材制造技术——同轴送丝电子束熔丝增材制造。结合作者课题组近几年的研究工作,针对Ti-6Al-4V钛合金的成形缺陷、显微组织及力学性能,对传统电子束熔丝增材制造技术和同轴送丝电子束熔丝增材制造技术进行了对比论述,其中同轴送丝电子束熔丝增材制造有望沉积β晶粒更细、更等轴的钛合金构件。最后结合当前研究存在的不足,对电子束熔丝增材制造的发展给出了建议。

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.

氧化时间对Ti-6Al-4V微弧氧化膜结构与性能的影响

在Na3PO4电解液中于恒流条件下对Ti6Al4V合金进行了微弧氧化处理,考察了氧化时间对微弧氧化膜表面形貌、生长速率、表面硬度和相组成的影响,并对不同氧化时间所得微弧氧化膜的摩擦学性能和耐蚀性能进行了表征。研究结果表明:随着氧化时间的延长,氧化膜表面微孔孔径逐渐增大,微孔数量逐渐减少,氧化膜生长速率逐渐减小,氧化膜的厚度逐渐增加,平均表面硬度呈先增大后减小的趋势;微弧氧化膜主要由金红石TiO2和锐钛矿TiO2相组成,随着氧化时间的延长,金红石相所占比例逐渐增大;氧化时间的长短对微弧氧化膜的摩擦系数影响不大,但对其磨损寿命有着显著影响,延长氧化时间可大大提高微弧氧化膜的磨损寿命,且随着氧化时间的延长,所得微弧氧化膜的腐蚀电位逐渐增大,腐蚀电流先减小后增大。

Ti-6Al-4V微弧氧化陶瓷膜微观结构与组成研究

在NaAlO_2,Na_3PO_4混合电解液中,利用微弧氧化(MAO)技术在Ti-6Al-4V合金表面制备了氧化物陶瓷膜。用扫描电镜(SEM),能量散射谱仪(EDS),X射线光电子能谱仪(XPS)对氧化物陶瓷膜的微观结构与组成进行了分析。结果表明：微弧氧化陶瓷膜表面和界面均呈现多孔结构,表面孔径大小差别较大,界面孔径大小差别较小,氧化膜界面处较规则地平行排列着一些长丘陵状突起；氧化膜疏松层与致密层无明显界限,氧化膜与基底以犬牙交错状结合。EDS分析结果表明,氧化膜表面、界面均由Ti,Al,P,V元素组成,Al元素易在表面富集,P元素易在界面富集。XPS分析结果表明,氧化膜表面、界面存在TiO_2,Al_2O_3,TiAl_2O_5等相,P元素均以P0_4^(3-)形式存在；氧化膜界面处存在V_2O_5相,而表面并不存在V元素。

Ti-6Al-4V微弧氧化陶瓷膜的微观结构及摩擦磨损性能研究

在N aA lO2和N a3PO4混合电解液中,利用微弧氧化技术在T i-6A l-4V表面制备了氧化物陶瓷膜.用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及显微硬度仪分别对微弧氧化膜的微观结构、相组成及其断面硬度进行分析,并对氧化膜致密层的摩擦磨损性能进行研究.结果表明:氧化膜表面呈现出多孔结构,氧化膜疏松层与致密层无明显界限,氧化膜与基底以犬牙交错形式结合;氧化膜主要由T iA l2O5和T iO2相组成,还含有少量A lPO4相和A l2O3相,氧化膜疏松层中T iA l2O5相的含量明显高于致密层;氧化膜内距T i-6A l-4V基底约21μm处的硬度存在最大值,两侧硬度降低;微弧氧化膜与S i3N4球对摩时具有较高的摩擦系数,磨损率比T i-6A l-4V降低2个数量级,说明氧化膜致密层具有良好的耐磨性能,其磨损机制为微区脆性断裂.

钛合金Ti-6Al-4V两种微观结构的裂纹扩展行为研究

介绍对两种均匀锻造的片晶结构的钛合金Ti 6Al 4V的疲劳裂纹扩展性能的研究情况。在材料准备时 ,注意避免材料的方向性等对性能的影响。采用标准试验方法进行各项力学性能试验 ,试验数据表明 ,两种片晶微观结构的钛合金的拉伸强度相差约 5 % ,拉伸塑性相差 13 % ,疲劳行为有较大不同 ,微观组织细密的钛合金材料的性能比较好。两种片晶的小裂纹扩展速率与长裂纹扩展速率相比有明显增加 ,但对于本研究的试验条件 ,在应力比R =0和R =-1的情况下 ,两种状态之间的裂纹扩展行为差别不大。试验数据说明 ,裂纹闭合是小裂纹效应的主要原因之一。

电子束焊接热输入对Ti-6Al-4V组织结构的影响

利用SEM、TEM和显微硬度等方法对TC4的接头焊缝区域进行了分析。结果发现焊接热输入能量的大小与分布模式对焊缝晶粒尺寸有重要影响 ,焊接热输入为 4 8.0kJ/m表面聚焦模式时 ,焊缝组织较为均匀 ,晶粒尺寸为 35 0 μm。随着焊接热输入的逐渐增大 ,焊缝结晶形态由等轴晶向柱状形态演化 ,粗大的针状α +β相和马氏体α′相从单向长针状转换为多向短针状。电子束的热输入模式亦对焊缝金属中的位错分布及形态有较大影响 ,随着热输入的增大 ,焊缝中产生的位错密度逐渐增大 ,但与母材相比仍然较少。焊缝处显微硬度随电子束焊接热输入模式的不同会有明显的变化 ,这可能与焊缝中形成针状α +β相的形态及分布方式有关。焊接热输入为 4 8.0kJ/m表面聚焦模式时显微硬度的分布较为均匀化 (4 0 4 - 4 80HV)。

Ti-6Al-4V合金多层板结构的超塑成形/扩散连接工艺研究

采用气压成形方法对多层板结构件进行了超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术研究。研究表明,最佳的扩散连接工艺参数为:连接温度T=930℃,连接时间t=30m in,连接压力P=10MPa。对连接试件的微观组织进行了观察,显示在界面处形成良好的连接。最佳的成形参数为:成形温度Tf=930℃,成形压力Pf=0.6MPa,成形时间tf=55m in。最后对成形后的板厚分布进行了研究。

Electrochemical Hydrogen Charging on Corrosion Behavior of Ti-6Al-4V Alloy in Artificial Seawater

This study employs advanced electrochemical and surface characterization techniques to investigate the impact of electrochemical hydrogen charging on the corrosion behavior and surface film of the Ti-6Al-4V alloy.The findings revealed the formation ofγ-TiH andδ-TiH_(2) hydrides in the alloy after hydrogen charging.Prolonging hydrogen charging resulted in more significant degradation of the alloy microstructure,leading to deteriorated protectiveness of the surface film.This trend was further confirmed by the electrochemical measurements,which showed that the corrosion resistance of the alloy progressively worsened as the hydrogen charging time was increased.Consequently,this work provides valuable insights into the mechanisms underlying the corrosion of Ti-6Al-4V alloy under hydrogen charging conditions.

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燕尾榫结构微动疲劳裂纹萌生及扩展行为研究

针对Ti-6Al-4V钛合金燕尾榫连接结构在不同载荷下的微动疲劳现象,采用榫形微动疲劳试验进行研究,并对裂纹萌生扩展、微动磨损及断口进行分析。结果表明,微动疲劳使构件疲劳寿命显著降低约70%;疲劳载荷对微动裂纹扩展的影响比对裂纹萌生的影响更大;微动疲劳裂纹起始于接触面边缘,与接触表面约成45°角,裂纹扩展到60~150μm后转向与接触表面垂直;微动疲劳断口形貌表面在微动磨损区具有多个裂纹源点,但只有一个主裂纹形成。

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。