Ti6Al4V钛合金切削性能模拟及响应面分析

为保证PCD刀具的使用寿命和加工精度,提高对Ti6Al4V钛合金的加工效率,对PCD刀具精车加工Ti6Al4V钛合金进行模拟仿真分析,并通过响应面分析法计算建立切削力和刀尖温度随刀具参数(前角γ_(o)、后角α_(o)、钝圆半径r_(ε))变化的二次响应面数学模型。根据响应面模型方差分析和显著性检验证明响应面预测模型的有效性,分析PCD刀具精车加工Ti6Al4V钛合金时刀具参数对切削力和刀尖温度的影响从而获得最优刀具参数。结果表明:钝圆半径对切削力的影响最大,后角对刀尖温度的影响最大,适当增大前角、减小后角及钝圆半径能够有效降低切削力、刀尖温度;最终得出最优刀具参数组合为前角γ_(o)=12°、后角α_(o)=7°和钝圆半径r_(ε)=0.04 mm。

流线形激光织构对Ti6Al4V合金摩擦磨损性能的影响

Ti6Al4V合金因同时具有众多优良的机械性能而成为机械中关键零部件的首选材料,然而,Ti6Al4V合金硬度低、耐磨性差等缺陷限制了其在机械领域更为广泛的应用。鉴于此,研究利用激光织构技术在Ti6Al4V合金表面制备流线形对称织构,在油润滑条件下,通过摩擦实验系统研究了不同参数激光流线形织构对Ti6Al4V合金材料耐磨性的影响。利用SEM、LICHEN电子天平等设备对不同样品表面的磨痕形貌、磨损量等进行表征。实验结果表明,当织构长度为400μm,深度为600μm时,样品的摩擦系数及磨损量较小,减摩效果更好。此外,研究还利用ANSYS Workbench软件对润滑油在织构表面的流动特性进行模拟,发现实验中摩擦系数的减小主要是润滑油在织构作用下流速、流向发生变化导致油膜压力增大而引起的。油膜压力增大能提高油膜的承载力,有效降低摩擦副的摩擦系数。

Ti−6Al−4V合金板材在电脉冲辅助弯曲过程中的显微组织演变及成形性能

在有效电流密度为0~3.2 A/mm^(2)、占空比为10%~70%条件下对Ti−6Al−4V合金板材进行电脉冲辅助弯曲实验。结果表明:当有效电流密度从0增加到2.4 A/mm^(2)时,弯曲成形位移从9.15 mm增加到15.60 mm;同时,裂纹的尺寸和宽度减小。此外,当弯曲位移为8 mm时,回弹角随着有效电流密度的增加而减小。占空比同样影响弯曲角,在30%占空比条件下能获得最小的弯曲角135.0°。板材的热稳定温度随着有效电流密度的增加而增加,但是与占空比呈非线性关系。此外,在电脉冲辅助弯曲过程中出现了晶粒粗化、{0001}织构强度增加和亚晶粒发展。电脉冲使位错密度降低且加速位错的重排,促进α晶粒内亚晶粒的形成,从而改善合金的成形性。电脉冲的非热效应提高了Ti−6Al−4V合金板材的低温成形性,使其与高温下的成形效果类似。

热处理对选区激光熔化Ti6Al4V合金力学性能和耐磨性的影响

系统研究了热处理工艺对选区激光熔化Ti6Al4V合金组织、力学性能和耐磨性的影响。结果表明,沉积态样品组织以针状α'马氏体为主,经固溶处理后,针状α'马氏体分解,Ti6Al4V合金硬度下降。当固溶温度为800℃时,合金形成α'/α结构,其抗拉强度和延伸率分别增加12%和23%。当固溶温度达到900℃以上时,由于α'/α结构的消失、α相晶粒的粗化以及β相含量的增加,合金的力学性能急剧下降,抗拉强度从(935±10)MPa下降到(815±9)MPa,伸长率从(8.72±0.2)%下降到(3.09±0.1)%。随着固溶温度的升高,摩擦系数和磨损率线性增大,与硬度的变化趋势完全相反,且磨损机理由单一磨粒磨损转变为磨粒磨损和氧化磨损。

Ti6Al4V钛合金周铣加工表面应力集中系数预测研究

Ti6Al4V钛合金因优异的力学性能被广泛应用于航空、航天等领域。为了实现材料的抗疲劳加工,从应力集中的角度研究了周铣加工表面形貌对Ti6Al4V钛合金疲劳行为的影响。利用所建立的三维表面形貌预测模型生成铣削表面特征,将从表面形貌预测模型得到的表面粗糙度数据分别集成到Arola-Ramulu模型和有限元模型,计算得到不同加工表面的应力集中系数。结果表明,预测和实测的表面形貌在纹理和剖面上显示出良好的一致性,Ti6Al4V钛合金周铣加工表面的应力集中系数与每齿进给量和径向切削深度呈正相关,与切削速度呈负相关,且对每齿进给量的变化最敏感。

Ti6Al4V钛合金棒材的制备方法

申请号:CN202211052421.X申请日:2022-08-29公开(公告)日:2023-12-19公开(公告)号:CN115740306B申请(专利权)人:西部超导材料科技股份有限公司摘要:本发明公开的Ti6Al4V钛合金棒材的制备方法包括高温锻造、低温锻造+高温锻造、低温拔长及成形锻造。本发明摒弃了传统的棒材自由锻多火次镦拔的工艺方案,采用高低高工艺,充分利用再结晶与温度和时间的关系,通过高低两个温度段的坯料拔长锻造,采用拔长弹簧砧和成形弹簧砧拔长成形工艺,有效实现Ti6Al4V钛合金棒材组织的细化均匀以及锻造过程中的一致性,且能够大幅提高生产效率及成品率。

SLM制备Ti6Al4V合金表层组织的均质化及腐蚀行为研究

采用激光选区熔化(SLM)增材制造工艺制备致密度为97.5%的Ti6Al4V合金,并利用高能喷丸与退火处理复合工艺对垂直建造方向的XOY面及平行建造方向的XOZ面进行均质化处理,然后对原始打印件、喷丸处理以及喷丸+退火处理的3种状态的试样进行电化学性能测试。研究结果表明:经喷丸处理后,原始打印件XOY面和XOZ面的组织趋于均质化,同时组织明显细化;喷丸既不改变衍射峰的位置,也不产生新的衍射峰,但可使衍射峰宽化;对于喷丸后经不同温度退火处理的样品,随退火温度的升高,XOY面和XOZ面的晶粒逐渐长大,在780℃退火后,二者均可获得α+β双相组织。对于原始打印件,XOY面和XOZ面的电化学腐蚀行为存在明显的差异,其中,XOY面的腐蚀倾向更小,耐蚀性能更优。经喷丸+退火处理后,这种差异明显减小,同时耐蚀性能进一步提高,经综合考虑可得喷丸+780℃退火为最佳工艺。

电化学脱合金Ti6Al4V基台对人牙龈成纤维细胞的影响

目的探讨电化学脱合金Ti6Al4V基台对人牙龈成纤维细胞(human gingival fibroblasts,HGFs)的影响,为种植基台表面改性设计提供实验依据。方法根据试样不同表面进行分组:NC组(阴性对照,光滑表面无其他处理)、NM-1组(纳米网-1,1 mol/L NaOH电化学脱合金处理1 h,电压2 V)、NM-2组(纳米网-2,5 mol/L NaOH电化学脱合金处理1 h,电压2 V)。扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观察不同试样表面形貌及HGFs在其表面的黏附状态,接触角测量仪测定试样表面亲水性。CCK-8评估HGFs在不同试样表面的增殖情况;qRT-PCR检测HGFs在不同试样表面Ⅰ型胶原(collagenⅠ,COL1A1)、Ⅲ型胶原(collagenⅢ,COL3A1)、纤连蛋白1(fibronectin 1,FN1)、黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)、黏着斑蛋白(vinculin,VCL)、整合素α2(integrinα2,ITGA2)、整合素β1(integrinβ1,ITGB1)等黏附相关基因表达水平;免疫荧光染色,激光共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscope,CLSM)观察HGFs在不同试样表面vinculin蛋白表达情况;天狼猩红染色评价HGFs在不同试样表面胶原纤维分泌合成情况。结果SEM观察到NM-1组和NM-2组表面形成有序均一的三维网状结构,网格直径NM-1组约为30 nm,NM-2组约为150 nm;NM-1组和NM-2组对比NC组,水接触角显著下降(P<0.0001);NM-1组细胞增殖能力较NC组显著提高(P<0.01),NM-1组和NM-2组的水接触角及细胞增殖能力差异无统计学意义(P>0.05)。SEM镜下可见HGFs黏附24 h后在各组试样表面均黏附良好,NM-1组和NM-2组细胞与NC组对比伸展面积更大,形态纤长,细胞伪足更发达。qRTPCR结果显示NM-1组中COL1A1、COL3A1、FN1、FAK、VCL等黏附相关基因表达水平显著高于NC组和NM-2组(P<0.01)。vinculin蛋白免疫荧光结果表明,NM-1组vinculin蛋白表达水平最高,单个细胞黏着斑数量最多(P<0.01)。天狼猩红染色结果显示NM-1组胶原纤维分泌合成量最高(P<0.0001)。结论Ti6Al4V经电化学脱合金改性后所构建的三维纳米网状结构有促进HGFs黏附增殖和胶原分泌合成的作用,其中网格直径约为30 nm的NM-1组对HGFs的促进作用明显。

增材制造Ti6Al4V钛合金的激波压缩状态方程与动态变形机理研究

增材制造工艺具有快速成型、结构可控等优势,有广阔的应用前景,然而增材制造的合金材料的动态性能研究相对贫乏.文章针对在国防空天领域应用广泛的Ti6Al4V合金,选取增材制造与锻造Ti6Al4V钛合金为研究对象,利用一级轻气炮系统,对两种不同工艺的钛合金材料开展不同冲击速度的平板撞击实验,同时借助光子多普勒测速(PDV)系统与阻抗匹配技术获得自由表面的粒子速度和激波速度,进而得到两种钛合金的Hugoniot状态方程.进一步,对变形样品微结构开展透射电镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)表征,揭示其动态变形机理.发现两种合金都具有很高的相变阈值(锻造合金>7.90 GPa,增材制造合金>7.87 GPa)与冲击弹性极限HEL(锻造合金为2.56 GPa,增材制造合金为2.78 GPa),两种Ti6Al4V合金的塑性变形机理均为位错滑移主控,锻造合金在变形后期产生滑移带,增材制造合金的片层状α相与β相的相界面起着阻碍位错运动的强化作用,在变形后期位错线从α相中越过相界面滑移至相邻的另一个α相中,位错滑移越过相界面需要较大的应力输入,因此表现出相比锻造合金更高的冲击弹性极限HEL.

增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能研究进展

Ti6Al4V合金综合性能优异,是现阶段航空航天工业用量最大的钛合金。随着新一代航空航天装备对高效能、高可靠性、轻量化及长寿命等技术指标的要求日益提高,利用增材制造技术快速制备结构复杂的钛合金构件成为近年来的研究热点。伴随航空航天工业发展,损伤容限设计成为该领域结构设计和材料选择的基本判断依据。现有研究表明,增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能已经基本达到甚至超过锻造或轧制退火水平。以激光选区熔化成形技术、激光熔化沉积技术、电子束熔化成形技术和电弧增材制造技术制备的Ti6Al4V合金为对象,综述了不同增材制造工艺及后续热处理对显微组织、残余应力等损伤容限性能影响因素的影响,阐明了近年来增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能的相关研究进展。

机夹飞刀铣削钛合金Ti6Al4V工件的工艺研究

针对钛合金Ti6Al4V难切削加工的特点,开展机夹飞刀铣削钛合金的工艺研究。建立了机夹飞刀高速铣削钛合金Ti6Al4V的有限元模型,参照实际铣削加工工艺设定边界条件,仿真了不同铣削参数条件下,切屑形成的应力与铣削温度分布云图;针对铣削过程中的铣削力变化、刀尖的铣削温度变化等,采用单因素法研究了切削速度、每齿进给量、切削宽度、切削深度、刀尖圆弧半径等不同铣削参数对铣削力和铣刀刀尖温度的影响。研究表明:对主铣削力的影响由大到小的次序为切削宽度、每齿进给量、切削深度、切削速度、刀尖圆弧半径;对刀尖温度的影响由大到小的顺序为切削宽度、每齿进给量、切削速度、刀尖圆弧半径、切削深度;其中切削速度与刀尖圆弧半径对主铣削力,刀尖圆弧半径与切削深度对刀尖温度的影响都为负相关。

掺入纳米CeO_(2)颗粒对Ti6Al4V的微弧氧化涂层性能的影响

采用脉冲电源在磷酸盐和硅酸盐等复合电解液下对Ti6Al4V钛合金进行表面陶瓷化处理,并研究在电解液中掺杂不同质量浓度CeO_(2)颗粒制备出的陶瓷涂层性能的变化,确定最佳掺杂浓度。应用XRD、SEM和EDS等手段表征了MAO涂层的物相组成、表面形貌和元素组成,并对比分析了CeO_(2)颗粒掺杂前后的厚度变化和电化学腐蚀行为。制备出的MAO陶瓷涂层具有复杂的多相复合结构,主要以金红石TiO_(2)和锐钛矿TiO_(2)为主,含有部分Al_(2)TiO_(5)和SiO_(2)相,另外还含有晶态的Al2O3和少量非晶态Al2O3;在电参数、反应时间和电解液温度不变的条件下,在电解液中掺杂CeO_(2)能轻微提高MAO涂层的厚度,并改变各相之间的转化率,提高氧化膜的耐蚀性。随着掺杂质量浓度的提高,膜层的光滑度先提高后降低,膜厚逐渐增加,耐蚀性先提高后降低;掺杂质量浓度为1.00 g·L^(-1)时平均膜厚达到12.02μm,涂层表面最光滑,涂层的致密性最好,致密层电阻Rb大大提高,此时的腐蚀速率最低为0.79μm·a^(-1),耐蚀性最好。

退火工艺对石油套管用Ti6Al4V0.55Fe合金组织和力学性能影响

石油套管用Ti6Al4V0.55Fe合金是TC4钛合金改性的一种优良的轻质高强度材料,具有密度低、比强度高、塑性好、耐高温、耐腐蚀等优点。通过普通退火、双重退火和β相区退火+低温退火,分别获得了Ti6Al4V0.55Fe合金的等轴、双态和片层组织。研究结果表明,Ti6Al4V0.55Fe合金等轴、双态、片层组织在硬度、强度和塑性等方面存在差异,双态组织具有最佳的综合力学性能,实现了硬度-强度-塑性的良好匹配。双态组织的硬度达到了410HV_(0.2),屈服强度和抗拉强度分别为924 MPa和1035 MPa,断后伸长率为16.76%,断面收缩率达到23.79%。双重退火后的Ti6Al4V0.55Fe合金可以满足石油套管用钛合金在工程上的强度塑性要求。

高速切削Ti6Al4V钛合金时切削温度的试验研究

应用硬质合金刀具对Ti6Al4V钛合金材料进行了高速车削和高速铣削试验,研究分析了干切削、空气射流及氮气射流条件下的切削温度变化情况。研究结果表明,氮气射流及空气射流条件下的切削温度明显低于干切削条件下的切削温度,而氮气射流条件下的钛合金高速切削温度则略低于空气射流条件下的切削温度。

Ti6Al4V钛合金切削加工的数值模拟

采用DEFORM软件建立三维有限元模型对切削过程进行数值模拟,研究了不同切削速度、背吃刀量和进给量的切削用量三要素对切削力F和切削温度θ的影响。结果表明,在切削用量三要素中,对切削力F影响的主次顺序为切削速度<进给量<背吃刀量;对切削温度θ影响的主次顺序为背吃刀量<进给量<切削速度,模拟结果与之前的试验结果基本吻合。分析切削力和切削温度可预测Ti6Al4V钛合金的最佳工艺参数,对揭示Ti6Al4V钛合金切削加工过程的基本规律具有实际意义。

Ti6Al4V钛合金不同热处理方法的试验与复合材料力学性能分析

系统性的分析了经不同热处理后,Ti6Al4V钛合金(Ti∶Al∶V=6∶4∶1)的显微组织,并实施了拉伸试验和仪器冲击试验。利用金相显微镜和环境扫描电镜(ESEM)分析了复合材料的显微组织、冲击断口特征与力学性能的关系。实验结果表明,固溶和时效处理对钛合金的组织、力学性能和冲击韧性均有影响。屈服强度和极限抗拉强度显著提高。塑性先增大后减小。钛合金在900℃/1 h+WQ和550℃/4 h+AC条件下处理,可获得良好的综合性能,σ为980 MPa,σ为1 060 MPa,A为46.57 J/cm^(2),固溶时效处理后的钛合金组织由β基体和α相沉淀组成。小针状丛状物的层状β相和α相结构可以提高其综合性能。

高低温交替海洋环境Ti6Al4V合金的腐蚀损伤机理

目的探究高低温交替海洋服役环境中Ti6Al4V合金的腐蚀损伤失效过程,揭示高温氧化、沉积盐膜、频繁启动工作模式耦合作用下合金的腐蚀损伤与退化机理。方法采用高温氧化、高温氧化-盐雾交替和高温氧化-海水浸泡交替试验方法,对Ti6Al4V合金腐蚀失效行为进行了全面评估;利用X-射线衍射仪(XRD)、X-射线光电子能谱仪(XPS)与扫描电子显微镜(SEM)等微尺度检测分析仪器,全面解析了合金损伤失效过程中表面物相结构、腐蚀产物成分及表/截面形貌特征。结果650℃氧化400 h后,Ti6Al4V合金表面氧化层(TiO_(2)+Al_(2)O_(3))生长致密且均匀;经50循环高温氧化-盐雾交替试验后,Ti6Al4V合金遭受加速腐蚀损伤,表面存在明显点蚀,氧化层出现分层剥落;经50循环高温氧化-海水浸泡试验后,Ti6Al4V合金腐蚀损伤进一步加速,但氧化层生长迅速,整体增重达5.167 mg/cm^(2)。结论高温氧化过程中Ti6Al4V合金表面氧化层呈缓慢均匀生长特征,具有优良的抗氧化性。高低温交替工作模式加速了氧化膜快速生长与结构破坏,Cl^(-)的浓度对Ti6Al4V合金表面氧化层的降解具有显著驱动作用,且Cl^(-)浓度越高腐蚀降解越严重。随着样品表面氧化层的致密性和完整性被破坏,混合盐逐渐侵入氧化层内部,加剧了氯化物的挥发,表明Ti6Al4V合金在高低温交替环境下抗腐蚀性较差。

Ti6Al4V钛合金枪钻加工的切削力试验研究

钛合金在深孔加工过程中存在刀具磨损严重和加工表面质量差等问题。本文采用整体硬质合金单刃枪钻作为深孔加工刀具,通过对刀具结构的分析和对Ti6Al4V钛合金深孔钻削的切削力试验研究,得到工艺参数对切削力的影响规律,结合制孔的表面粗糙度,优化了钛合金枪钻加工工艺参数。同时,通过刀具的磨损分析得到了钛合金枪钻加工过程中刀具的主要磨损形式。

基于Abaqus的钛合金Ti6Al4V切削仿真与工艺优化

以钛合金Ti6Al4V为研究对象,基于ABAQUS有限元分析软件,进行二维切削仿真分析。采用正交实验设计方法、极差分析和方差分析方法,研究刀具前角、切削深度、切削速度等工艺参数对切削力与切削温度的影响规律。仿真试验结果表明,在实验参数范围内切削力随切削深度的增大而增大,随切削速度的增大先减小后增大;切削变形区最高温度随切削深度、切削速度的增大而增大;较大的刀具前角有利于减小切削力和切削温度;刀具前角为10°,切削深度为0.3mm,切削速度为180m/min时切削力平均值最小;刀具前角为10°,切削深度为0.3mm,切削速度为60m/min时切削变形区最高温度最低。

LDM-SLM复合成形Ti6Al4V钛合金的显微组织及力学性能

钛合金激光增材制造技术在制备小型复杂结构及大型构件的近净成形等方面取得了显著成果,在航空航天领域取得了广泛的应用。为了实现复杂结构大型构件的高精度快速成形,以SLM成形Ti6Al4V合金试样为基底进行LDM沉积,制备出具有双重组织的复合Ti6Al4V合金样品,对其进行退火处理,探究退火温度及各向异性对LDM-SLM复合成形Ti6Al4V试样显微组织演变及力学性能的影响。结果表明:两种工艺复合制备的Ti6Al4V合金显微组织可分为三个部分:以α板条为主的LDM区,以细长针状α′马氏体为主的SLM区和发生重熔而形成的主要以α板条及α′马氏体组成的热影响区。力学性能测试结果表明:LDM-SLM复合成形沉积态Ti6Al4V合金具有高强低塑的特性及显著的各向异性;经850℃退火处理后,拉伸过程中的加工硬化现象导致拉伸棒出现双颈缩现象,使强度略有降低但塑性明显提高,综合性能优于其他退火处理试样。