TA2钛管挤轧成形金属变形规律及工艺优化

采用挤轧成形工艺制备TA2钛管,建立了TA2钛管挤轧成形有限元仿真模型,研究了管坯在挤轧成形工艺中的变形过程;探究了轧辊送进角、轧辊公转速度和管坯前进速度对挤轧成形后管坯尺寸精度的影响规律;以管坯几何尺寸精度为评价依据,通过正交模拟试验得到钛管挤轧成形的最优工艺参数。结果表明,管坯的径向应变、周向应变以及轴向应变在挤轧变形区内呈明显三角分布;送进角过大和过小均使得管坯的尺寸偏差增大,管坯的尺寸偏差随着轧辊公转速度的增大而增大,管坯前进速度过小会导致管坯成形质量变差;最优的挤轧工艺参数为送进角6°,轧辊公转速度150 r·min^(-1),管坯前进速度5 mm·s^(-1);基于优化的挤轧工艺参数,成功挤轧出质量良好的TA2钛管。

非对称循环载荷下TA2工业纯钛疲劳损伤行为的预测

对TA2工业纯钛进行应力控制的非对称载荷疲劳试验,研究了不同最大应力(245,253,270,300 MPa)下纯钛的疲劳寿命和断口形貌,分析了非对称循环载荷下的应变演变以及应力-应变响应;基于连续损伤力学理论,建立了基于棘轮应变和总应变能密度的疲劳损伤演变预测模型,对纯钛的疲劳损伤过程进行预测,并与试验结果进行对比。结果表明:随着最大应力的降低,TA2工业纯钛的疲劳寿命延长。当最大应力为245,253 MPa时,塑性韧断区面积较小,断口中出现疲劳裂纹扩展区,失效机制为疲劳开裂及裂纹扩展失效,疲劳应变演变由加载初始阶段、稳定阶段和失效阶段组成,随最大应力的增加,塑性应变能密度以及相同疲劳寿命对应的平均应变均增大。当最大应力为270,300 MPa时,断口主要由纤维状的塑性韧断区组成,失效机制为循环塑性大变形失效,此时疲劳应变演化的稳定阶段不明显,随最大应力的增加,塑性应变能密度增大幅度较大,且当循环次数达到70%疲劳寿命时,270 MPa最大应力下的平均应变较大。基于棘轮应变的疲劳损伤演变预测模型对于疲劳中后期(循环次数不低于40%疲劳寿命)损伤值的预测效果较好,最大相对误差不超过12.5%;基于总应变能密度的疲劳损伤演变预测模型预测的损伤值相对误差基本在23%以内,整体预测稳定性较差。

微观组织对TA2和TC4氢损伤行为的影响

钛及钛合金表面的致密钝化膜使其在苛刻服役环境中仍然具有十分优异的耐蚀性。但钛与氢的亲和力极强,易发生氢损伤,且不同微观结构的钛合金对氢损伤的敏感性不同。本文通过阴极充氢实验,对比了工业纯钛TA2和钛合金TC4的氢损伤行为,采用扫描电镜(SEM)观察样品的腐蚀形貌,通过开路电位(OCP)、动极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)对比两种材料充氢后耐蚀性。结果表明:充氢前TA2和TC4在3.5%NaCl溶液中均有良好的耐蚀性,充氢后两者耐蚀性均明显下降,这与材料表面致密钝化膜转变为疏松氢化钛膜有关。与TC4合金相比,氢对TA2的损伤作用更大。这是因为氢在α相中的固溶度远小在β相中的,TA2为单相α组织,氢主要与其表面钝化膜发生反应,因此对TA2表面钝化膜的破坏性更强。

多道次热压缩对层状TA2纯钛组织与性能的影响

使用Gleeble-1500热力学模拟测试机,分别在860℃与830℃下对过冷β组织的TA2纯钛进行了压缩量为10%~60%、应变速率为10 s^(-1)的五道次热压缩实验。结果表明,随着压缩量的增加,TA2纯钛的板条组织变细并破碎变短。当压缩量达到50%时,出现细小的等轴晶粒。对压缩量为0%~30%的试样进行拉伸性能测试,结果显示,随着压缩量的增加,材料的强度与塑性协同提升,抗拉强度由初始的444 MPa提升至566 MPa,延伸率由初始的20%提升至28%。对压缩试样进行电子背散射衍射(EBSD)观察,可以观察到少量孪晶,还在极图中发现了棱锥织构。

小孔TIG焊技术在中大厚度TA2板上的应用研究

分别对16 mm及30 mm厚TA2板进行了小孔TIG焊工艺试验,研究了工艺参数对焊缝成型、内部质量及接头组织性能的影响。结果表明,采用优化的小孔TIG焊工艺可以实现不开坡口16 mm厚TA2板的单面焊双面成型,大的焊接电流导致焊缝组织较母材的粗大,接头与母材相比出现轻微硬化;对于30 mm厚Y型坡口的试板,采用小孔TIG焊从背面打底可以完成14 mm钝边的熔透焊,从正面打底可以完成10 mm钝边的熔透焊,打底焊道美观,内部质量优,可直接采用常规TIG焊工艺进行填充盖面。单一小孔TIG或与常规TIG的组合焊工艺制备的中大厚度TA2板接头强度与母材的相当,力学性能良好。

再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响

使用二辊轧机对TA2工业纯钛进行多道次大应变冷轧处理,制备了冷轧总变形量为70%的TA2纯钛板。通过对冷轧TA2纯钛板进行500℃加热、不同保温时间的退火处理,获得了具有不同再结晶组织的钛板。基于帽形试样和限位环变形控制技术,在分离式霍普金森压杆装置上对不同再结晶组织的试样进行动态冲击冻结实验,结合光学显微镜和扫描电子显微镜表征试样冲击前后微观组织的变化,研究了再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响。结果表明,随着退火保温时间的延长,试样再结晶晶粒占比逐渐增大,晶粒分布由分散向局部聚集转变;在相同应变和应变率下,在所有试样中都观察到了绝热剪切带,再结晶晶粒占比高的试样更易诱发绝热剪切带中裂纹形核扩展。对比变形前后试样再结晶组织和几何必需位错变化,结合剪切区整体温升分析发现,再结晶晶粒作为材料软化点能够诱发剪切带的形成,而剪切带发展后期产生的绝热温升会促进剪切带内材料发生二次再结晶,提高剪切带内材料的韧性,延缓剪切裂纹的形成。

TA2纯钛激光同轴送丝增材制造组织和性能研究

探讨了单向平行、蛇形往复和蛇形正交3种不同路径下利用激光同轴送丝增材制造技术制备的TA2纯钛试件微观组织和力学性能的差异。结果表明,在合适的工艺参数下,可以实现TA2纯钛激光同轴送丝增材制造的良好成形,试件表面呈银白色,其横、纵向力学性能均可达到GB/T 3621-2022对TA2纯钛板材的要求;3种路径下制造过程的热输入和散热条件类似,焊缝微观组织均为锯齿状α相。不同增材路径下的焊道熔合形貌不同,力学性能差异较大,其中单向平行和蛇形往复路径试件的各向异性较强,蛇形正交路径试件的各向同性较强;单向平行路径试件的纵向抗拉强度和屈服强度均最高,蛇形正交路径试件的横向断后伸长率较高,塑性较好。

工业纯钛TA2室温蠕变第1阶段特性研究

研究了工业纯钛TA2室温下蠕变第1阶段的特性。结果表明,TA2材料室温下确实存在明显的蠕变现象,并且存在一个临界应力值,低于该临界值的TA2在室温下不会发生蠕变。TA2室温下蠕变第1阶段的规律为β蠕变。针对TA2材料室温下第1阶段的蠕变特性,本研究提出了一种新的β值与应力间的关系表达式:β=β0(σ-σc)m,其中σc为蠕变临界应力。并且得到室温下TA2的蠕变临界应力值为267.25MPa。

SiO_2、Al_2O_3、ZrO_2对磨副材料对离子渗氮工业纯钛TA2磨损性能的影响

研究了离子渗氮处理工业纯钛TA2与硬质材料对磨的磨损性能。采用球盘摩擦磨损试验机评价摩擦学性能,选取了3种硬度的对磨副材料Si O2、Al2O3、Zr O2。利用光学显微镜、白光三维形貌仪、X射线衍射仪和显微硬度计分别对渗氮前后TA2的微观组织结构和硬度进行表征,并分析磨痕的表面形貌及元素组成。结果表明,渗氮后TA2表面生成了80μm厚的Ti N、Ti2N和α-Ti(N)硬质相渗氮层,表面硬度由140 HV提高至1260 HV,耐磨性能得到了提高。未处理样品的磨损机制主要是严重的黏着磨损、塑性形变和一定程度的磨粒磨损;渗氮样品的磨损机制主要为磨粒磨损,磨损率随对磨副材料硬度的升高而增大。

TA2/1060Al异种金属脉冲MIG熔钎焊

采用Al-Si焊丝对TA2钛与1060Al进行平板对接脉冲熔化极氩弧（P-MIG）熔钎焊试验,用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等对接头显微组织进行分析;采用拉伸力学性能试验评价接头的可靠性,并对拉伸断口形貌进行分析。结果表明：采用P-MIG焊可获得可靠的TA2/1060Al熔钎焊接头,工艺具有良好的稳定性和可重复性;TA2钛与焊缝通过形成一层芽状Ti（Al,Si）3实现钎焊结合,Ti（Al,Si）3厚度在1～5μm;拉伸测试中Ti/Al熔钎焊接头全部断裂于铝母材中,钛侧钎焊界面的结合强度超过了铝母材。

工业纯钛TA2的焊接

通过对工业纯钛TA2焊接特点的分析及焊接温度场的确定,拟定了TA2钨极氩弧焊焊接工艺,着重对其钨极氩弧焊的保护措施、焊接规范参数的选择进行了实验与分析。通过实验对比,制定出了合理的规范参数,得到了满意的焊缝质量。

TA2钛材的激光相变硬化复合低温气体渗氮工艺

为了提高TA2钛合金的耐磨性和耐蚀性,采用激光相变硬化-气体渗氮工艺对TA2钛进行表面改性。利用体视光学显微镜、透射电镜和X射线衍射仪对TA2激光相变硬化-气体渗氮层进行表面形貌、微观组织和相组成分析;利用显微硬度计对两种复合改性层的显微硬度进行测试。结果表明:TA2钛表面经激光相变硬化后,可实现430℃低温渗氮。此条件下晶粒得到细化,亚结构和缺陷密度的增加有利于氮元素和晶内扩散,相变组织与氮势梯度具有良好的对应关系。通过改善渗层的组织结构和化学成分分布状态,获得了性能优良的TA2钛表面硬化层。

TA2钛合金与5083铝合金电偶腐蚀行为和连接工艺的研究

研究了TA2钛合金与5083铝合金及二者之间偶合连接及在3.5%NaCl水溶液中的腐蚀行为,探讨了腐蚀的形式及腐蚀原因;采用电偶实验方法研究了电偶电流大小及电偶电流随时间变化的规律;针对上述合金电偶腐蚀状况,确定了工程上防止TA2钛合金与5083铝合金电偶腐蚀的系统连接工艺方法.

TA2钛合金表面Al_2O_3/石墨自润滑沉积层的制备及其摩擦学性能研究

采用阴极液相等离子体电解沉积技术(PED)在TA2钛合金表面一步制备了含石墨的Al2O3陶瓷沉积层。利用SEM和XRD对沉积层的结构和成分进行了表征,并探讨了沉积层的形成过程和机理。用摩擦试验机评价了沉积层的摩擦磨损性能。结果表明,通过在电解液中添加适量的石墨,利用PED技术可在TA2钛合金表面制备由α-Al2O3、γ-Al2O3和石墨相组成的复合沉积层。与TA2钛合金以及不含石墨的Al2O3沉积层相比,Al2O3/石墨复合沉积层的摩擦系数显著降低,磨损率随之减小,具有良好的减摩抗磨性能。

基于小冲孔试验的工业纯钛塑性强化与损伤效应研究

为了探究塑性变形对TA2的塑性强化与损伤效应,开展了不同塑性变形量下TA2的小冲孔试验。结果表明,在15%塑性变形量以内,小冲孔试验强度参量表明塑性变形对TA2起到了强化效应,屈服强度和抗拉强度均提高,强化率分别为12.8%和10.9%,屈强比基本保持不变;当塑性变形量达到15%,屈服强度增幅减小,而抗拉强度有所下降,致使屈强比不断增大直到趋近于1。因此在小的塑性变形范围内,有利于TA2的塑性应变强化,但当塑性变形量超过15%后,塑性变形产生的强化效应不再显著,而塑性损伤趋于明显,导致材料的韧性下降。最后,基于微观组织分析可以发现,在15%塑性变形量以内,强化的原因是孪晶组织作用;塑性变形量超过15%时,塑性损伤的原因一方面是在塑性强化过程中消耗了晶粒的部分可变形量,另一方面是在晶界处产生了大量滑移带的堆积,造成了材料韧性的下降。

TA2钛合金表面激光熔覆Ti_2SC/TiS自润滑耐磨复合涂层组织与性能

采用激光熔覆技术在TA2钛合金表面预置Ti+TiC+WS_2复合粉末制备了自润滑耐磨复合涂层,并对涂层的物相、显微组织、显微硬度和摩擦学性能进行了分析。结果表明:涂层与基体呈冶金结合,无明显气孔和裂纹。涂层主要有α-Ti基体、增强相(Ti,W)C_(1-x)和TiC以及自润滑相Ti_2SC和TiS。涂层的平均显微硬度为1005.4 HV约为基体TA2的5倍。在干摩擦磨损条件下,对比TA2基体,由于涂层中自润滑相Ti_2SC、TiS的存在,涂层摩擦系数波动较平缓,磨损表面呈现轻微的黏着磨损,表现出较优异的耐磨减摩性能。

Ag-28Cu钎焊TA2/BT20接头组织分析

采用Ag-28Cu钎料对TA2纯钛和BT20钛合金的管板组合构件进行真空钎焊连接试验,分析了不同钎焊温度及保温时间对接头界面结构的影响.结果表明,接头界面结构为BT20/钛基固溶体/Ti2Cu化合物/银基固溶体+TiCu化合物/Ti2Cu化合物/钛基固溶体/TA2;随着钎焊温度的升高,银基固溶体和TiCu化合物逐渐消失,Ⅰ区逐渐出现较明显的树枝状生长的组织,分析为Ti2Cu化合物;随着连接时间的延长,Ti2Cu化合物逐渐增加,且靠近母材的钛基固溶体层增宽,Ⅱ区最终演变成一个Ti2Cu反应层.

船用TA2钛合金晶粒尺寸的超声声速评定

通过对超声纵波声速的测量来评定船用TA2钛合金的平均晶粒尺寸。采用热处理改变了TA2合金试样的晶粒尺寸。实验结果表明,用5P14Z探头测得的纵波声速与晶粒尺寸之间有很好的线性关系。与奥氏体不锈钢、低碳钢等材料不同,随着TA2合金试样晶粒尺寸的增大,纵波声速增大。利用在超声纵波声速和金相测定的晶粒尺寸之间建立的关系图,能够无损评价TA2合金的晶粒尺寸。

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.

5083铝合金表面钛铝基耐蚀涂层与TA2钛合金接触腐蚀

针对5083铝合金与TA2钛合金接触腐蚀问题,采用超音速微粒沉积技术在5083铝合金表面制备Ti-45Al-7Nb-4Cr耐蚀涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对涂层截面和与基体界面进行测试,分析涂层孔隙率和与5083铝合金基体的结合机制;采用电化学工作站测试5083铝合金、TA2钛合金、TiAl合金铸锭和涂层的极化曲线,并对比研究5083铝合金、TiAl合金铸锭和涂层与TA2钛合金接触腐蚀敏感性。结果表明:涂层孔隙率为1.4%,涂层与基体结合机制为机械结合,通过在5083铝合金表面制备Ti-45Al-7Nb-4Cr合金防护涂层后,可使材料电极电位由-913.90mV升高到-572.47mV,与TA2钛合金的接触腐蚀电流密度由16.2μA/cm2降为0.21μA/cm2,接触腐蚀敏感性由E级降到A级,解决了铝合金与钛合金的接触腐蚀防护问题。