常见结构材料低温性能研究进展

随着深空探测、极地科考、低温贮运等低温领域的快速发展,对低温材料的要求越来越高,低温材料逐渐成为目前国内外的研究热点。本文综述低温钢、铝合金、钛合金、铝基复合材料以及树脂基复合材料等常见结构材料的低温性能,归纳不同晶体结构、合金种类、合金元素等因素对结构材料的低温强度、塑性与韧性等力学性能的影响及低温变形和强韧化机理,介绍不同种类低温结构材料在国内外重要领域的应用,提出了低温材料未来的研究展望。

添加中间层的TC2钛合金/321不锈钢真空扩散焊研究

目的以Cu箔、Ni箔为中间层,使用真空扩散焊工艺实现TC2钛合金与321不锈钢的焊接。方法采用扫描电子显微镜、EDS能谱仪、X射线衍射仪、冲击韧性实验机、显微硬度计等仪器研究了焊接温度、典型中间层材料等工艺参数对TC2钛合金/321不锈钢焊接界面微观结构、界面元素扩散、接头力学性能的影响规律。结果在添加中间层的扩散焊接头中,是否会形成界面区和扩散区以及界面区和扩散区的宽度,受焊接温度的影响,也受中间层和母材成分及性能的影响。在以Ni为中间层的TC2钛合金与321不锈钢真空扩散焊接头中,扩散区会产生AlNi_(3)、NiTi等新物相,当以Cu为中间层时,扩散区中会产生Cu_(0.81)Ni_(0.19)等新物相。在实验条件下,使用铜箔作为中间层的TC2钛合金与321不锈钢真空扩散焊接头的力学性能优于使用镍箔作为中间层的真空扩散焊接头的力学性能。结论在实验条件下,添加中间层的TC2钛合金/321不锈钢真空扩散焊的最佳工艺参数如下:真空度为10^(-4)Pa,焊接温度为820℃,焊接压力为15MPa,焊接时间(即保温时间)为90min,保压时间为240min,以Cu作为中间层。

两种钛合金半穿甲战斗部侵彻单层钢靶性能试验研究

选取亚稳态β型TB17和高损伤容限α+β型TC4-DT两种高韧钛合金材料,对2种钛合金材料在高应变率条件下动态力学响应特性进行测试分析,并应用125 mm火炮发射装置开展2种钛合金半穿甲战斗部侵彻单层钢靶性能试验研究。结果表明,作为半穿甲战斗部的壳体材料,应选择屈服强度与冲击韧性匹配性好的钛合金,其中更应关注钛合金材料的塑性变形能力和抗冲击韧性;随着侵彻着角的增加,侵彻单层钢靶过程弹体头部侵蚀量及径向墩粗程度更严重,不利于弹体保持侵彻强度及装药安定性。

火箭贮箱结构材料应用及发展现状

火箭贮箱是运载火箭的重要组成部件,但服役环境相对恶劣,在储存液体推进剂的同时还承担着复杂的结构载荷。结构材料是贮箱制造发展的根本,也是航天运载器变革的关键。本文主要介绍国内外运载火箭贮箱结构材料的应用及其发展现状,对铝合金、不锈钢、钛合金等金属材料以及复合材料贮箱进行了综述,系统性地总结了贮箱材料的变革历程和应用情况,并对未来贮箱材料的发展方向提出新的见解与展望。

Ti_(43.76)Zr_(12.50)Cu_(37.49-x)Ni_(6.25)Co_(x)非晶钎料真空钎焊TC4钛合金/316L不锈钢

根据双团簇模型设计并制备了Ti-Zr-Cu-Ni-Co系非晶钎料,用于真空钎焊TC4钛合金和316L不锈钢,分析了钎料中Co元素含量对钎焊接头界面微观组织形貌、力学性能及断裂行为的影响规律.结果表明,钎焊接头可划分为TC4/扩散区(Ⅰ区)/钎缝中心区(Ⅱ区)/界面区(Ⅲ区)/316L,界面典型微观组织结构为TC4/β-Ti+Ti_(2)Cu/(Ti,Zr)_(2)(Cu,Ni)+Ti_(2)Cu+Ti_(2)(Cu,Ni)+TiFe/(Fe,Cr)_(2)Ti+α-(Fe,Cr)+τ+γ-(Fe,Ni)+σ/316L,随着Co元素含量的增加,接头剪切强度先升高后降低再升高,当Co元素含量为1.56%时达到最大310 MPa,不添加Co元素时,接头断裂于钎缝中心区(Ⅱ区);当Co元素含量为1.56%~6.24%时,接头断裂于靠近316L母材的界面区(Ⅲ区)附近,断裂模式为典型的解理断裂.

高钛钢连铸保护渣对Al_(2)O_(3)夹杂物吸收性的研究

针对高钛钢连铸保护渣钢渣反应及吸收夹杂物的变性问题,采用热力学计算、保护渣性能测试和旋转柱法等方法,对高钛钢钢液内夹杂物的生成种类和不同温度下的生成量进行了计算,根据夹杂物的生成情况对比了传统CaO-SiO_(2)系和新开发的低反应性BaO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-TiO_(2)系保护渣吸收夹杂物的性能变化,并对比了两种保护渣对夹杂物的吸收速率。热力学计算表明,研究的高钛钢中铝质量分数为0.03%、钛质量分数为0.40%,钢液中生成的夹杂物为Al_(2)O_(3),而实际生产中由于钢液局部成分差异可能有钛氧化物的生成;从保护渣吸收夹杂物前后的性能对比可知,两种保护渣的黏度和熔点均随其吸收Al_(2)O_(3)含量的增加而增加,但新开发的低反应性保护渣相对于CaO-SiO_(2)系渣的性能变化更小,其性能更稳定;由旋转柱试验可知,CaO-SiO_(2)系和BaO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-TiO_(2)系保护渣对氧化铝棒的吸收速率分别在(8~12)×10^(-3) g/(cm^(2)·min)和(10~13)×10^(-3) g/(cm^(2)·min),后者对夹杂物的吸收能力更强。因此,新开发的BaO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-TiO_(2)系低反应性保护渣有潜力用于更高钛含量的钢种浇铸。

基于钛质铆钉的低碳钢/钛电阻单元焊接接头的组织与性能

以钛质铆钉作为单元件对2 mm厚的钛和Q235低碳钢板进行电阻单元焊。利用扫描电镜观察接头中各区域的微观组织结构,分析了焊接参数对接头抗剪载荷和十字抗拉载荷的影响。结果表明:低碳钢/钛电阻单元焊接接头的抗剪载荷与十字抗拉载荷随焊接电流、焊接时间的增加而呈现先增大后减小的趋势。当铆钉腿径为8 mm、焊接时间为300 ms、焊接电流为12 kA时,接头的抗剪载荷与十字抗拉载荷分别为11.26和7.39 kN。采用电阻单元焊焊接低碳钢/钛时,铆钉的腿径在4~8 mm范围内,所用铆钉的腿径越大,适焊窗口越宽。

钛与钢异种材料焊接技术的研究进展

钛与钢两种材料在石油化工领域有着广泛的应用。由于它们在物理性能和化学性能方面存在显著差异,焊接时难以获得优异的焊接接头,因此针对钛与钢焊接过程中存在的问题进行分析,从钎焊、熔焊和压力焊三方面对其研究现状进行探讨,并对钛与钢异种材料焊接的发展前景进行展望。

镁处理对TiN液析行为的影响

为研究镁处理对钛微合金钢在凝固过程中TiN液析行为的影响,采用真空感应炉冶炼了试验钢.利用SEM-EDS结合图像处理软件,分析铸坯径向不同位置处镁处理钢对比非镁处理钢中夹杂物的成分和尺寸变化,并用FactSage软件对夹杂物的形成和析出进行了计算.结果表明:钢中TiN夹杂均在凝固前沿的液相中生成.氮含量增加,凝固过程中TiN的析出温度升高和析出量增加,并对后续Ti4C2S2和MnS的析出产生影响.非镁处理条件下,铸坯1/4处和中心处TiN夹杂的平均粒径分别为2.48和2.11μm,镁处理后,尺寸分别降为1.50,1.45μm和1.48,1.38μm,数密度也有所增大.添加微量Mg,MgO·Al_(2)O_(3)即可稳定存在于钢中并在钢液降温过程中成为TiN的凝固核心,促使TiN夹杂分布弥散,减少了大尺寸TiN的生成.

送粉式激光增材制造工艺修复钛-不锈钢复合板的研究

为解决钛钢复合板制造和服役过程中产生的超标缺陷无法直接熔焊修复的难题,通过选择合适的中间层种类及厚度,分析了TA2/S30408复合板送粉式激光增材制造工艺的可行性。结果表明:相较于Cu-Ti梯度沉积层,纯铜层在沉积过程中裂纹萌生和扩展倾向更小,更适合作为钛-不锈钢复合板的中间层;中间纯铜层多次沉积且总厚度控制在1~1.2 mm时,可以在不降低复合板界面剪切强度的前提下,有效阻止不锈钢层中的Fe元素向钛层的扩散;TA2/S30408复合板各沉积层结合良好、无明显气孔裂纹等缺陷,剪切强度达标,有望利用送粉式激光增材制造工艺修复钛-不锈钢复合板。

钛/钢异种金属连接技术研究现状

钛材有着多种优异的性能,在多个领域得到了广泛应用。但由于钛与钢之间物理化学性能的差异,两种金属焊接时会出现大量脆性间隙相,导致焊接接头失效。为解决因金属间隙相导致的接头失效,需尽量避免钛与钢的熔焊,采用合理的中间层是避免生成金属间隙相的有效途径,适当的连接方式及工艺是提高接头使用性能的有效手段。文章从压力焊、高能密度焊、钎焊、塞焊等几个角度对钛/钢异种金属连接的研究现状进行探讨,并展望了未来钛/钢异种金属连接的研究和发展方向。

空气和钛精矿对含钛混合熔渣钙钛矿富集行为的影响

采用XRD、SEM、EDS、Image-J等分析手段,探讨空气和钛精矿对含钛熔渣中钛资源富集行为的影响。通过对含钛混合熔渣改性,熔渣中钙钛矿晶体形状发生变化,降低钙钛矿晶体运动阻力,方便上部钙钛矿晶体向下部迁移和富集,得到高品位人造钙钛矿精矿。结果表明:合适的氧化时间有利于熔渣中的低价钛向高价钛转化,适量的添加钛精矿有利于促进钙钛矿晶体的成核,以球形晶体析出。因此,在较佳氧化时间2 min和较佳钛精矿添加量12%共同作用下,Ti组分以球形钙钛矿晶体富集于改性渣底部,钙钛矿体积分数由25.12%增加到61.50%。

不同真空度下轧制钛钢复合板的界面氧化行为

采用真空热轧复合技术制备了TA2/Q345R钛钢复合板,通过扫描电子显微镜(SEM)、维氏硬度计、万能拉伸试验机等分析了不同真空度下轧制钛钢复合板的界面组织和力学性能。结果表明:当复合坯真空度为1 Pa时,钛钢复合板钛复层氧化明显,TA2表面分别产生了10μm的富氧层与硬化层,硬化层硬度约为325 HV;当复合坯真空度为0.1 Pa时,TA2表面部分氧化导致钛钢界面产生约40μm厚的间隙,局部位置还产生了冶金结合;当复合坯真空度达到0.01 Pa时,钛钢复合界面平整连续无缺陷,平均剪切强度约179MPa。综上,0.01 Pa是轧制法制备钛钢复合板的合理真空度。

高钛高强钢钛含量精准控制研究

对高钛高强钢的冶炼流程进行了分析,针对存在的问题进行了理论与实践相结合的研究,制定相应的改进措施。通过控制真空室内的氧和钢液中的氧含量,提高高钛钢铸机成品目标值w(Ti)±0.005%合格率。

建筑用高性能热轧钛-钢复合材料的力学性能研究

以钢板和钛板为原材料,经预处理、组胚、焊接、热轧等制备建筑用高性能热轧钛-钢复合材料。用万能试验机等设备测试不同变形量、不同钛含量、不同卷曲温度下该复合材料的抗拉强度、屈曲强度等力学性能。结果表明:变形量为30%时,热轧钛-钢复合材料的屈服强度、抗拉强度适宜,拉伸断口呈韧性断裂;钛的质量分数为0.6%时,复合材料的抗拉强度、屈曲强度均最高;卷曲温度为600℃时复合材料的力学性能最佳,继续升高卷曲温度,力学性能反而降低。

GCr15-K、100Cr6等高端轴承钢钛含量有效控制实践

通过对冶炼GCr15-K、100Cr6等高端轴承钢生产数据进行分析,从源头控制钛元素的来源,根据冶炼过程中钛反应的热力学规律,通过采取对钢包条件严格要求和钢包“涮洗”,选用[Ti]≤0.050%的铁水进行生产,用中碳铬铁代替低钛高碳铬铁,高纯硅铁代替硅铁,金属锰代替高碳锰铁,严格控制转炉出钢下渣和执行炉后扒渣等工艺,使GCr15-K、100Cr6等高端轴承钢中钛含量控制在0.0007%~0.0012%,整体产品质量得到提高,能够满足高端客户的技术要求。

含钛焊丝钢水口结瘤原因分析及改进

针对含钛焊丝钢SJ-60连铸过程中水口结瘤问题,通过XRF、XRD和SEM等手段,分析水口结瘤物的元素含量、物相组成及界面反应。结果发现,水口内壁因脱碳反应而变得粗糙多孔,导致高熔点物相易于侵入;此外,精炼过程喂钙处理和耐材侵蚀,会使钢液生成大量CaTiO_(3)和MgAl_(2)O_(4),二者在水口内壁沉积是导致水口结瘤的主要原因。实践表明,采用低钛低铝硅铁替代普通硅铁,将钢中w[Al]由0.0080%~0.0095%降低至0.0050%~0.0065%,有利于减少钢中Al_(2)O_(3)夹杂物含量;取消精炼钙处理,将钢中w[Ca]由>0.0014%降低至<0.0005%,有利于减少钢中CaTiO_(3)夹杂物含量;将萤石用量由0.8~1.0kg/t降低至0.3~0.5kg/t,减轻耐材侵蚀,渣中w(MgO)由>10%降低至<5%,有利于减少钢中MgAl_(2)O_(4)夹杂物含量。通过以上措施,有效解决了CaTiO_(3)和MgAl_(2)O_(4)引起的水口结瘤问题,连浇炉数由4~5炉提高至12炉以上。

焊接用钢ER70S-G小方坯连铸水口堵塞分析及其控制

w(Ti)为0.12%~0.25%的焊接用钢ER70S-G,采用小方坯连铸生产工艺易发生浸入式水口结瘤问题,水口结瘤物的主要成分是Al_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)·MgO以及TiO_(2)。对冶炼、连铸过程钢水中夹杂物数量、尺寸和成分进行分析,发现精炼后期和中包浇注过程中小尺寸夹杂物的比例较高,说明夹杂物去除和钢水保护浇注效果差。通过采取提高转炉终点C含量、减少铝铁加入量、改变钛合金化方式、密封中间包和水口吹氩等措施,减少钢水中夹杂物,解决了ER70S-G小方坯连铸水口结瘤问题,铸坯质量完全满足下一步轧钢工序的要求。

粘结剂和碳化钛含量对TiC钢结硬质合金组织和性能的影响

立足于碳化钛钢结硬质合金大批量生产的实践基础,探讨了使用不同粘结剂以及碳化钛的不同含量对钢结硬质合金的微观组织和宏观性能的影响。实验表明,在相同的压制成型工艺下,采用不同的粘结剂,在1380~1420℃真空烧结后,钢结硬质合金的致密度较高,都达到了预期的组织和性能,但是相对而言,使用橡胶基粘结剂的产品性能更稳定;不同碳化钛含量的钢结硬质合金,在1350~1420℃真空烧结后,钢结硬质合金同样都达到了预期的组织和性能,随着碳化钛在基体中的分布均匀性提高,颗粒形貌更加规则。

钛合金化Q355B钢带冷轧辊耗量大的原因

冷轧钛合金化Q355B钢带的轧辊消耗量较大。为此,分析了冷轧普通Q355B钢带和钛合金化Q355B钢带的轧制力、设备参数、乳化液参数;检测了普通Q355B钢带和钛合金化Q355B钢带的显微组织;分析了冷轧辊的磨损机制。结果表明:冷轧辊消耗量大与轧制力无关,是Ti的细晶强化和沉淀强化所致。