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。

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。

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。

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。

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。

氮气油雾介质下Ti-6Al-4V钛合金高速铣削试验研究

通过以氮气油雾作为切削介质的切削方法,应用硬质合金刀具对T i-6A l-4V钛合金材料进行了高速铣削试验,分析了铣削过程中的切屑形成、刀具磨损、已加工表面粗糙度等因素的变化。对氮气油雾介质下的钛合金高速铣削机理进行了探讨,同时通过氮气油雾介质、空气油雾介质以及干切削状况下的钛合金高速铣削对比试验,证明了以氮气油雾为切削介质进行钛合金高速铣削的可行性。研究结果表明,与空气油雾介质及干切削相比,氮气油雾介质下的钛合金切屑表面较为平整,刀具磨损与已加工表面粗糙度均相对较低。利用氮气油雾作为切削介质,是实现钛合金绿色高速切削加工的有效方法。

Ti-6Al-4V钛合金热成形极限图及其应用

在650℃、700℃和750℃温度条件下进行Ti-6Al-4V钛合金成形极限试验,建立其热态成形极限,在此基础上,利用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟,对Ti-6Al-4V钛合金热态成形的破裂缺陷进行预测,并通过试验对其结果进行验证。研究结果显示,随着温度的升高,Ti-6Al-4V钛合金的热成形极限增加,有限元分析结果与试验结果相吻合,表明该文所建立的韧性断裂预测模型具有工程参考价值。

Ti-6Al-4V合金包覆叠轧薄板的加工工艺与组织性能研究

研究了包覆叠轧加工及热处理工艺对Ti-6Al-4V合金室温拉伸及疲劳性能的影响规律,观察分析了不同状态下组织形貌的特征及变化情况。结果表明,单向热轧工艺有利于提高合金薄板的延伸率,但对疲劳性能则会产生不利影响,而交叉换向热轧工艺则有利于板材获得较好的综合性能。

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。

变形工艺参数对Ti-6Al-4V钛合金组织和性能的影响(英文)

研究了变形温度、变形程度、应变速率以及三者之间两两交互作用对Ti-6Al-4V钛合金组织和力学性能的影响。结果表明:变形程度和应变速率对力学性能的影响比较显著,在中等变形程度和较大的应变速率下成形时微观组织较为细小均匀,可以获得较高的抗拉强度和屈服强度;但工艺参数间的交互作用不容忽视,在变形温度稍低于相变点时,工艺参数间的交互作用对强度和塑性的影响显著。因此,优化成形工艺参数应根据强度、塑性等性能指标的要求,在考虑工艺参数间交互作用的基础上进行。

多次激光冲击Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化研究

为了研究激光冲击Ti-6Al-4V钛合金下的表面纳米化和微观结构的演变特性,采用短脉冲Nd∶YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面分别进行了激光冲击实验,得到了不同激光冲击次数下钛合金表面的微观组织和相应表面硬度。随着激光冲击次数增加,晶粒尺寸逐渐减小并形成纳米晶粒;冲击3次以上时,纳米晶数量明显增多、尺寸分布更加均匀,表面出现取向更加随机的等轴纳米晶;冲击5次后,随着冲击次数增加,钛合金表面纳米晶粒尺寸没有出现明显降低的趋势,始终保持50nm^130nm;不同冲击次数下纳米层的深度不会明显增加,纳米层深度约为15μm^20μm;冲击次数5次以上后,钛合金表面硬度趋于稳定,最大值约为525HV^530HV。结果表明,Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化程度随着激光冲击次数的增加而提高;在5次激光冲击后钛合金表面的纳米化程度达到渐饱和状态,表面具有分布较好的纳米晶和较高的硬度。这表明多次激光冲击钛合金表面可以实现晶粒从微米级向纳米级转化。

Ti-6Al-4V钛合金疲劳小裂纹扩展行为的研究

对两种热处理状态的Ti 6Al 4V锻件钛合金的疲劳小裂纹扩展行为进行了研究。使用应力强度因子范围ΔK对小裂纹和长裂纹的扩展速率进行关联。结果表明 ,恒幅载荷R =0和R=- 1下两种材料都表现出小裂纹效应 ,R =- 1下的小裂纹效应尤为明显。在相同应力比下对两种状态材料的小裂纹效应进行对比发现 ,应力比R =- 1下 ,两种状态材料的小裂纹扩展行为非常相似。应力比R =0下 。

激光喷丸对Ti-6Al-4V钛合金中高温性能影响研究

为了研究激光喷丸对中高温条件下Ti-6Al-4V钛合金残余应力、微观硬度及金相组织演变的影响,采用高功率、短脉冲Nd∶YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面进行了激光冲击,并将冲击后的试样分别置于400℃,500℃,550℃和600℃的温度下进行了1h的保温处理。利用X射线衍射仪对强化区域的残余应力进行了检测,通过扫描电镜及透射电镜对微观组织进行表征,探究了强化效果与晶粒尺寸、位错运动间的联系。结果表明,激光喷丸处理在试样表层诱导产生较大幅值残余压应力,显微硬度提高;经550℃热处理1h后,残余应力影响层深约为100μm;经400℃、600℃热处理1h后,试样表层微观硬度分别下降了8.3HV和20.1HV;热处理后,晶粒尺寸总体呈现增大趋势。激光喷丸处理可以有效提高Ti-6Al-4V钛合金中高温力学性能。

Ti-6Al-4V钛合金等通道转角挤压的有限元模拟

运用有限元方法对Ti-6Al-4V钛合金等温等通道转角挤压过程进行了模拟,获得了摩擦因子、挤压角、过渡角等挤压参数对材料变形区的应变分布和挤压载荷的影响规律。结果表明:摩擦因子的增大引起局部应变集中,摩擦因子为0.5时,最大挤压载荷比零摩擦条件时提高了2.37倍;增大挤压角有利于获得均匀等效应变,减小挤压载荷,但同时减小了单次变形的应变量;减小过渡角可以扩大均匀应变区域,但过渡角过小会引起通道转角处的严重应变集中。

ZTC4(Ti-6Al-4V)铸造钛合金的退火热处理工艺

介绍了航空航天等工业中大量应用的ZTC4(Ti-6Al-4V)铸造钛合金的退火热处理工艺,包括消除应力退火,普通退火,真空或保护性气氛退火以及真空双重退火。

置氢Ti-6Al-4V钛合金的热压缩变形行为研究

通过热模拟压缩实验，研究了氢对Ti-6Al-4V钛合金热变形行为的影响。结果表明，置氢可以显著降低Ti-6Al-4V钛合金高温压缩时的流动应力，提高Ti-6Al-4V钛合金的热加工变形速率一个数量级以上，并且明显降低了Ti-6Al-4V钛合金的变形温度。在变形温度760℃～800℃范围内，置氢量为0．4wt％的Ti-6Al-4V钛合金的流动应力最小；在变形温度840℃～920℃范围内，置氢量0．2wt％的Ti-6Al-4V钛合金的流动应力最小。同时，置氢前后Ti-6Al-4V钛合金的变形激活能计算结果表明，置氢量为0．4wt％的Ti-6Al-4V钛合金在α＋β两相区的变形激活能为208．3kJ／mol，与未置氢Ti-6Al-4V钛合金相比降低了316kJ／mol。

Ti-6Al-4V钛合金超音频脉冲TIG焊

进行了Ti-6Al-4V钛合金超音频脉冲氩弧焊(U-TIG)与传统TIG焊,利用X射线探伤检测接头质量,金相显微镜和SEM观察接头组织和断口,利用万能试验机测试接头拉伸性能.结果表明,U-TIG焊能减少焊缝气孔;随着加入脉冲频率的增加,U-TIG焊焊缝组织细化、等轴化,当脉冲频率为45kHz时,晶粒细化效果最好;随着脉冲频率的提高,接头抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均有所提高;常规TIG与U-TIG焊接头断口均为准解理断裂机制,但U-TIG断口枝晶破坏痕迹已不明显.

Ti-6Al-4V钛合金热拉伸变形行为与本构方程

在变形温度600℃-800℃、应变速率0．01s-1～0．33s-1条件下进行热态单向拉伸试验，研究Ti-6Al-4V钛合金的变形行为，以及变形性能与变形温度、应变速率之间的关系。结果表明，Ti-6Al-4V钛合金在变形过程中呈现两种变形特征，即稳态形与软化形，且随着变形温度的升高、应变速率的降低，流动应力降低，而延伸率则升高；基于Hooke定律和Grosman方程建立的Ti-6Al-4V钛合金热态成形本构方程，在整个变形区间内可以很好的表征材料的变形行为。

Ti-6Al-4V钛合金与氮化硼基复合型壳精铸时的界面反应

主要研究了一种新型钛合金精铸用型壳——氮化硼基复合型壳与铸造钛合金Ti-6Al-4V之间的界面反应。研究中,氮化硼基复合型壳的面层是由经过预处理的六方氮化硼,少量氧化钇和钇熔胶粘结剂构成。试验中使用了水冷铜坩埚来熔炼Ti-6Al-4V合金,合金的浇注温度为1750℃;通过使用电子探针（EPMA）等仪器对铸件表面进行检测,以便研究型壳与钛合金TC4之间的反应。研究发现,这种型壳与1750℃铸造钛合金Ti-6Al-4V的反应层大约为30~50μm,铸件表面＂沾污层＂大约为180~200μm。最后还对氮化硼基复合型壳与钛合金Ti-6Al-4V反应的机理进行了研究。