用正交试验法优化VST55531钛合金的热处理工艺

采用正交试验法研究了固溶温度、冷却方式、时效温度、时效时间4因素对VST55531合金强度和塑性的影响。结果表明,冷却方式对合金的强度和塑性影响最大,时效温度次之。当固溶温度为820℃、冷却方式为空冷,时效温度和时效时间分别为580℃和4 h时,VST55531合金的Rm为1370MPa,Rp0.2为1340MPa,A为9.0%,Z为23.0%,该合金具有良好的强塑性。

热处理对VST55531钛合金的组织和拉伸性能的影响

研究了固溶温度和时效温度对VST55531合金组织和拉伸性能的影响。结果表明:在本实验范围内,合金强度分别随固溶温度的提高和时效温度的提高而呈降低趋势,整体塑性较差,延伸率和断面收缩率分别在7.5%和17.0%以下。时效温度为550℃时,合金的极限抗拉强度都在1500 MPa以上,尤其经830℃/1 h固溶空冷并经550℃/8 h时效的合金,其抗拉强度可达到1555 MPa。在两相区固溶空冷的合金组织主要为β转变组织和初生α相,初生α相形貌为片状的α束域,时效时析出的次生α相有效地提高了合金的强度。

Ti55531钛合金锻件不同部位组织定量表征及性能研究

对Ti55531钛合金成形过程进行了数值模拟,分析了不同变形量下的锻件成形过程中应力、应变场和温度场,试验研究了坯料成形时不同部位组织的演化规律。结果显示,坯料成形时易变形区晶粒尺寸随变形剧烈程度的增加或者温度升高而增大,尤其在高变形速率(20 mm/s)或高变形温度(835℃)时,由于叠加了变形热的温升效应,晶粒尺寸明显增大;难变形区晶粒尺寸波动最大,并存在少量异常长大晶粒;自由变形区的晶粒尺寸基本保持不变。当变形速率为5、10 mm/s,变形量为50%,变形温度为805℃时,合金的抗拉强度、冲击总功和裂纹形成功均达到较高值,综合力学性能较佳。

Ti55531钛合金超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr和WC-17Co工艺对比研究

采用HVOF技术在Ti55531钛合金基体上制备WC-10Co4Cr和WC-17Co涂层。利用SEM分析试样微观形貌,采用光学分析软件计算涂层孔隙率,使用显微硬度计、常温持久强度试验机测试涂层显微硬度、结合强度,并对试样进行了中性盐雾腐蚀试验,对比分析其耐蚀性。结果表明:在Ti55531钛合金基体上制备的WC-10Co4Cr, WC-17Co涂层微观组织致密,孔隙率分别为0.57%,0.43%;结合强度分别为76.8,80.4 MPa;显微硬度分别为HV_(0.3)1 206.4,HV_(0.3)1 005.6,均明显高于Ti55531基体的HV_(0.3)394.2;WC-10Co4Cr和WC-17Co涂层均能有效地提高基体的耐蚀性能,其中WC-10Co4Cr涂层耐蚀性能更优。2种涂层性能指标均满足规范要求。

Ti55531钛合金化学镀镍工艺研究

针对复杂型面的钛及钛合金零件镀硬铬合格率低的现状,研究了一种磷含量为5%~12%的化学镀镍替代新工艺,设计了3种不同的前处理方式,通过对不同方式所得试样镍层外观、结合力、硬度、耐蚀性及磷含量等的检测对比,确定了Ti55531钛合金化学镀镍的工艺流程及相关工艺参数。结果表明:化学镀镍层硬度为580~650 HV0.05,接近硬铬层,能代替镀硬铬层用于形状复杂、不易或不能镀铬,但有较高耐磨性要求的零件的表面防护。

Ti-55531钛合金β相区热变形行为及本构方程的研究

为了提高Ti-55531钛合金β相区锻造的损伤容限,通过Gleeble-3800热模拟试验机对Ti-55531合金在β相区进行了应变速率为0.001~1s^-1,温度为860~950℃的等温压缩试验,获得了流动应力曲线。对Ti-55531合金在试验条件下热变形行为及流动应力变化进行了研究。结果表明,Ti-55531合金的流动应力曲线为稳态流动型,在相同的应变速率下,变形温度越低,流动应力越大;在相同的温度下,应变速率越快,流动应力越大。通过对试验数据拟合得到了0~0.7应变量的Ti-55531合金本构方程。方程的准确度高,平均误差为8.99%。在试验条件下,平均热激活能为209.204kJ/mol,最小值为200.389kJ/mol。

基于有限元模拟的Ti-55531钛合金等温模锻不均匀变形

利用有限元模拟的方法,研究不同变形条件下Ti-55531合金等温模锻过程中的变形及组织不均匀性。通过调整变形参数,得到具有理想微观组织的锻件,并用于指导具体实验。构建具有腹板和加强筋的T型结构进行模拟,模拟结果表明,在变形温度为805℃、变形速率为0.05 mm/s的条件下进行等温模锻,锻件成形性最好,且腹板处的α相破碎成球状,而加强筋处的α相保留部分原始细针状的不均匀性组织。这种差异性可以使锻件的加强筋强度较高,腹板处韧性较好,达到通过变形不均匀性调控微观组织形貌的目的。

Ti55531钛合金本构方程及动态再结晶模型建立

根据Ti55531钛合金在变形温度730~900℃、应变速率0.001~10 s^(-1)条件下的等温压缩实验数据,采用线性回归方法对流变应力、应变速率和变形温度之间的关系进行拟合,建立了Ti55531钛合金Arrhenius型本构方程,得到了Ti55531钛合金的热变形激活能为288849.2 J·mol^(-1)。将通过本构方程得到的峰值应力计算值与实验值进行对比和计算,得出峰值应力计算值与实验值的平均相对误差为7.44%,平均相对误差较小,所建立的本构方程能够较好地反映Ti55531钛合金的热变形行为特征。通过进一步对压缩实验数据进行回归分析,得到了Ti55531钛合金动态再结晶过程的临界应变模型、体积分数模型和晶粒尺寸模型。为了验证动态再结晶模型,采用有限元方法对热压缩实验过程进行了模拟,模拟结果和实验结果吻合较好。

Ti55531钛合金车架横梁机械加工工艺研究

Ti55531属于新研超高强度钛合金,某新型飞机起落架车架横梁采用Ti55531钛合金锻件加工。在分析、对比TC18钛合金加工的基础上,通过多次的试加工,确定了合适的加工刀具,得到了较合理的切削参数。合理安排工艺流程,解决了车架横梁的加工难题,为Ti55531钛合金零件的加工提供了新方法。

Ti55531钛合金零件超音速喷涂碳化钨工艺研究

针对国内无Ti55531钛合金材料超音速喷涂WC-10Co4Cr工艺的现状,参照TC18钛合金超音速喷涂WC-10Co4Cr工艺,设计了2种喷涂工艺,进行了多组别工艺试验,确定的工艺流程、喷涂参数、工艺控制项目等满足了涂层需求。结果表明:前处理采用吹砂或酸洗和钝化均能保证涂层结合强度大于70 MPa及其他性能合格,为产品的加工提供了依据。

Ti55531钛合金消除应力退火工艺研究

针对国内标准少见对Ti55531钛合金消除应力退火工艺研究的问题,设计了固定退火时间、变化热处理温度和固定温度、变化退火时间的多组别工艺试验,检测了抗拉强度、应力、富氧α相和氢含量,分析了不同温度、时间对抗拉强度及应力消除程度的影响,并与近β型TC18M钛合金进行对比试验,最终优选出的消除应力退火工艺参数保证了Ti55531钛合金各项性能指标的实现,满足了某型号产品的加工需求。结果表明:Ti55531钛合金退火消除应力最佳温度为500~640℃,时间≥3 h。

变形量对Ti-55531钛合金微观组织和力学性能的影响

为了进一步优化Ti-55531钛合金的锻造过程,分析了变形量对其微观组织和力学性能的影响。通过不同变形量下的镦粗实验,分析了Ti-55531钛合金锻后的微观组织,并对锻后样品进行了β退火+时效热处理,最后进行了拉伸测试。结果表明,随着变形量的增加,Ti-55531钛合金中初生α相的体积分数逐渐下降,热处理后初生α相消失,微观组织以次生α相为主。Ti-55531钛合金的平均强度随着变形量的增加逐渐下降,而其塑性随着变形量的增加逐渐增加,结合企业生产标准,同时为了避免各向异性,应将变形量范围控制在30%~50%。

Ti55531合金连续升温过程的相变行为

通过连续升温热膨胀法分析Ti55531（Ti-5Mo-5Cr-5V-3A1-1Zr）合金在连续升温过程中的热膨胀行为、物相组成和显微组织，绘制热膨胀微分曲线。结果发现：随着升温速率的增加，相变温度逐渐升高。其中，在1℃／min的升温速率下不同温度区间内的相变行为如下：低于192℃时，发生ωath→β转变；192～347℃时，发生β→ωiso转变；347～376℃时，发生ωiso→α＋β、β→α转变；409～648℃时，发生β→α转变；648～831℃时，发生α→β转变；831℃时，转变为全β组织。计算得到α→β转变热激活能为188．04kJ／mol。

Ti-55531合金片层组织的表层渗硼改性研究

系统研究了不同温度渗硼处理对Ti-55531片层合金表层组织、成分、硬度分布及残余应力的影响。结果表明:Ti-55531合金渗硼后渗层由等轴化趋势明显的白亮产物外表层、须状组织过渡层和原始片层基体三部分组成,渗层B元素含量由表及里逐渐降低。合金表层因渗硼后形成了钛硼化合物梯度层,显微硬度得到显著提高,且从表层到心部硬度也逐渐降低。另外,渗硼后合金表面呈现为残余压应力状态,且残余压应力值随渗硼温度的升高而增大。本研究结果可为进一步研究渗硼处理对Ti-55531合金耐磨损及疲劳性能的影响奠定基础。

Ti-55531钛合金自由锻件亮带形成原因分析

近年来,Ti-55531钛合金在航空领域得到了广泛的应用。在低倍组织检查中,该钛合金某自由锻件横截面中心位置易观察到明显的亮带,严重影响锻件质量。本文利用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)及电子背散射衍射(EBSD)技术,对两相区锻造后的Ti-55531钛合金自由锻件亮带及正常区域的组织、化学成分和织构进行了系统的比较和分析。研究结果表明,在锻造过程中,由于锻件中心变形潜热释放高、散热差,<001>取向的β相大尺寸晶粒发生了持续长大,造成该区域的原始β晶粒尺寸明显大于其他区域,在低倍侵蚀后形成了亮带。该亮带并非由成分偏析引起,而是由β相的织构造成。β相的强烈织构可影响钛合金的力学性能,导致亮带位置的强度、弹性模量明显下降,但塑性有所提升。在锻造过程中,球状α相和片层状α相,均与β相遵循较为稳定的Burgers关系,但α相的球化越完全,α相与β相的Burgers关系偏离程度越高。

固溶温度对Ti55531钛合金的组织与性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、纳米压痕等分析测试手段,研究不同固溶温度对Ti55531钛合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,合金的锻态组织由球状α相和β相组成,经过780℃和840℃固溶处理和540℃时效1 h后,合金的显微组织由初生α相、次生针状α相和β相组成,其中次生α相和β相存在位向关系,即(1101)α//(110)β;随着固溶温度增高,初生球状α相急剧减少,析出次生α相增多,而且次生针状α相硬度明显高于初生α相和基体β相,经780℃和840℃固溶处理后合金的硬度相对于锻态组织分别提高了8.5%和10.3%。

片层Ti-55531合金的拉伸和扭转断裂失效行为

通过室温静态拉伸和扭转试验,结合TEM、SEM等分析检测方法,系统研究了片层Ti-55531合金在拉伸和扭转载荷下的断裂失效行为。结果表明,片层Ti-55531合金在拉伸和扭转载荷下的断裂失效有显著的不同:拉伸变形受滑移、次生α_s的孪生及剪切共同控制,扭转变形主要受滑移和剪切控制,未发现有孪晶;拉伸断口较扭转断口陡峭,失效以微孔聚集为主,含少量穿晶解理和沿晶开裂的混合断裂机制;扭转断裂失效则以微孔聚集和剪切开裂为主,含部分穿晶解理的混合断裂机制。无论在拉伸还是扭转载荷下,片层Ti-55531合金的断裂失效面均由最大剪切应力产生,剪切力比正应力更易使片层Ti-55531合金损伤破坏。

显微组织均匀性对片层Ti-55531合金高周疲劳裂纹萌生的影响

采用高周拉压疲劳试验,测试了片层Ti-55531合金的室温高周疲劳性能。利用TEM、SEM等分析检测方法,研究了近裂纹源区次生裂纹特征,以及显微组织均匀性对高周疲劳裂纹萌生的影响。结果发现:该片状Ti-55531合金室温高周疲劳强度σ_(-1)(1×10~7)可达639 MPa。合金显微组织中含少量晶界α和大量10~50μm大小的组织不均匀区,疲劳变形时,晶界α处开裂或组织不均匀区内次生αs断裂、α_s/β_r界面处开裂等萌生微裂纹,促进合金的疲劳失效。

Ti55531合金热压缩模拟研究

在Gleeble-1500热模拟试验机上,当应变速率为0.001～10 s-1、变形温度为700～900℃时,采用高温压缩试验对Ti-55531钛合金热压缩变形中流变应力行为进行研究。研究结果表明,两相区变形时,曲线呈动态再结晶型,单相区变形时,曲线呈动态回复型。流变应力随着变形温度的升高而降低,随应变速率的提高而增大。采用双曲正弦模型确定该合金的变形激活能,两相区变形激活能为407.75 k J·mol-1,单相区变形的形变激活能为157.97 k J·mol-1,建立了两相区和单相区变形的本构方程。误差分析表明,流动应力计算值与试验值之间的相对误差小于10%,所建立的本构关系能比较精确地描述Ti-55531钛合金热加工过程中的流动行为。

载荷方式对双态Ti-55531合金变形和断裂的影响

通过室温静态拉伸和扭转试验,结合TEM、SEM等分析检测,系统研究了双态Ti-55531合金在拉伸和扭转载荷下的变形和断裂失效行为。结果表明,载荷方式的改变对双态Ti-55531合金变形和断裂行为有显著的影响:该合金扭转剪切强度比抗拉强度低约300 MPa,表明该合金的断裂对扭转切应力的敏感性高于拉伸应力。拉伸和扭转变形时,合金主要都受滑移和剪切共同控制;高密度位错主要堆积在晶界α和等轴α_p的界面处。相对拉伸变形,扭转变形时等轴α_p产生的剪切滑移带数量更多。拉伸断口较扭转断口陡峭,拉伸断裂失效是以微孔聚集为主的穿晶断裂机制;而扭转断裂失效则是微孔聚集和剪切开裂的混合断裂机制。