高温钛合金的现状与前景

简要回顾国内外固溶强化型高温钛合金材料的发展历史,分析英、美、俄等国的高温钛合金研究与应用情况及发展趋势.介绍国内自主研制、使用温度在550～ 650℃范围内的三种钛合金新材料及其相关技术发展,对国内高温钛合金材料进行初步梳理.参考国外高温钛合金研究、应用经验及发展趋势,结合国内实际情况,对国内高温钛合金材料体系的建立及完善提出具体建议,并展望国内高温钛合金近期研究重点和未来发展方向.

TC18钛合金的组织和性能与热处理制度的关系

通过三因素三水平正交设计方法研究了两阶段退火热处理制度的三个温度阶段对TC18钛合金性能、组织的影响,定量分析了合金热处理温度变化对总体性能的影响.结果表明,在本文试验条件下可通过提高中温温度、降低低温温度来提高合金的强度,降低高温温度、提高低温温度可改善合金的塑性,通过降低高温温度或中温温度可提高合金的冲击韧性.显微组织分析表明, TC18钛合金的强度主要受未转变β组织及在其上产生的次生α_s相的总的含量、次生α_s相的含量、形状的控制;合金的塑性受初生α_p相形状及次生α_s相的数量、形状控制;合金的冲击韧性受初生α_p相的含量及形状控制.

钛合金疲劳裂纹扩展速率Paris区中的转折点

通过对比钛合金不同显微组织下疲劳裂纹扩展速率Paris区转折点的位置,发现原始β晶粒尺寸是影响Paris区转折点位置的主要因素,晶团尺寸以及片层厚度对转折点位置没有影响.并且通过分析转折点前、后疲劳裂纹扩展微观阶段的转变及断裂方式变化,得出转折点的出现是疲劳裂纹尖端塑性区尺寸超过晶粒尺寸所致,具有β晶粒的马氏体组织疲劳裂纹扩展速率Paris区并不存在转折点,说明转折点的出现不仅仅是由于原始β晶粒的存在,还和显微组织类型有关.通过分析还发现,钛合金片层组织中裂纹尖端塑性区实际尺寸大于计算得到的单向塑性区尺寸以及循环塑性区尺寸.

SiC纤维增强钛基复合材料界面研究及构件研制

首先介绍了作者近年来在SiC纤维增强钛基复合材料界面反应机理、应力分布和界面调控方面的工作进展,然后介绍了作者在磁控溅射法和箔-纤维-箔法复合材料工艺及构件研制方面的研究工作。

SiC纤维增强钛基复合材料研究进展

概述了作者研究组近年来在SiC纤维增强钛基复合材料研究领域开展的工作及取得的进展。采用具有自主知识产权的SiC纤维,研究了PVD先驱丝制备方法和真空热压/热等静压复合材料成形工艺,获得700℃拉伸强度>1500MPa的SiCf/Ti-6Al-4V复合材料,分别制备出长度>400mm和直径>200mm的钛基复合材料棒材和环形件。此外,分别采用粉末布与粉浆涂挂先驱丝两种低成本方法制备出钛基复合材料,确定了新的胶粘剂并优化了相关工艺参数。

BT18y钛合金等轴组织与全片层组织的室温拉伸塑性

测试了两种温度固溶后锻态Ti6.9Al3.6Zr2.7Sn0.7Mo0.6Nb0.21Si(BT18y)钛合金棒的室温拉伸性能。利用金相显微镜、透射电镜和扫描电镜研究了该合金的室温拉伸塑性与显微组织的关系。结果表明经920℃、2h空冷处理的材料为细晶等轴组织,变形时晶粒间的协调性好,具有优良的室温拉伸性能,塑性尤其突出;经1020℃、2h空冷处理的材料为具有晶界α相的粗晶片层组织,在拉伸变形时,同时要求相邻晶粒之间、晶粒内部的相邻α片束团之间相互协调,增加了塑性变形的阻力,但残余β相使得材料保持了一定的塑性。多个视角观察表明α片束团表现出了方向性,与拉伸轴夹角较小的片束具有良好的拉伸性能,与拉伸轴夹角较大的片束内的β相中间层是拉伸时裂纹的优先形成区。

热处理制度对BT8钛合金室温拉伸强度影响的回归分析

采用正交设计确定热处理制度,测试了不同热处理制度对BT8钛合金室温拉伸强度的影响,利用多元线性回归模型对实验结果进行回归分析,得到热处理工艺对合金室温抗拉强度的回归方程,通过统计技术对得到的回归方程进行了方差分析,结果显示该回归方程具有较高的可信度,随后的热力学和动力学分析证明了该回归方程存在的科学性.

Ni离子掺杂锐钛矿相TiO_2体系的第一性原理研究

采用自旋密度泛函理论的第一性原理方法并结合晶体配位场理论,研究了Ni离子掺杂锐钛矿相TiO_2体系(NixTi1-xO2;NixTiO_2)的几何结构、缺陷形成能、电子结构以及磁性特征等问题。结果表明:实验上发现的有关Ni掺杂TiO_2体系的很多矛盾,如:晶粒体积的增减、掺杂Ni离子的不同价态、吸收光谱带边移动方向和体系磁性特征的差异等问题都可归因于Ni离子掺杂类型的不同(NiTi;Niin)。分析表明,不同的Ni离子掺杂类型导致所成Ni-O键的键长和电荷布居不同,从而使Ni离子呈现不同的价态,这也是体系宏观电学和磁学性能差异的根本原因。形成能计算表明,通过控制Ni-TiO_2晶体生长过程中的氧环境,可以人为的控制Ni离子的掺杂类型。

氧化加碱处理Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金表面的生物相容性研究

目的:检测氧化加碱处理的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金表面的生物相容性。方法:对具有自主知识产权的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(TNZS)亚稳β型超低模量钛合金和纯钛(以下简称CpTi),采用独立开发的氧化加碱处理方法进行表面处理,通过体外模拟实验和体内植入实验对材料生物相容性进行检测。结果:X射线衍射分析结果表明,在模拟人体体液(SBF)和快速生物活性鉴别液(FCS)中浸泡的氧化加碱处理TNZS表面形成骨样羟基磷灰石层,在SBF中浸泡后的氧化加碱处理TNZS表面生成的物质很薄。TNZS和CpTi二种材料表面处理组的直接骨结合率两者没有显著性差异(P>0.05),未表面处理组直接骨结合率两者也没有显著性差异(P>0.05);TNZS和CpTi二种材料的表面处理组和未表面处理组均有显著性差异(P<0.05)。结论:氧化加碱性活化方法是一种良好的钛合金表面处理方法。

初生及次生α相对Ti-1023合金拉伸性能和断裂韧性的影响

Ti-1023合金中初生α相(α_p)的体积分数对材料性能影响较大:在固溶(ST)条件下,α_p相体积分数减少,材料强度降低;在固溶时效(STA)条件下,α_p相体积分数减少,材料强度和断裂韧度(K_(IC))呈升高趋势,但后者增加的趋势没有前者明显.α_p相对材料性能的影响与其体积分数的变化改变亚稳β晶粒内溶质原子浓度和亚稳β晶粒尺寸有关.时效过程中析出的次生α相(α_s)可明显影响材料的力学性能,随α_s的长大和数量的减少强化效应减弱,但K_(IC)和塑性明显提高.对Ti-1023合金,减少α_p相的体积分数、控制合适的α_s相数量和尺寸并尽可能减少连续晶界α相数量与尺寸,可以获得较高的强韧性匹配.

多重热处理对TC4合金的组织和力学性能的影响

研究了多重热处理对TC4钛合金的显微组织和力学性能的影响.多重热处理温度中第一重处理位于单相区,第二重位于两相区,前两重热处理均采用不同的冷却速率,最后进行时效处理.结果表明:采用不同多重热处理制度可以调节材料的显微组织参数,包括片状α的长度、宽度、长宽比以及次生α片层的数量等,从而可以优化材料力学性能的搭配,特别是显著提高片层组织的塑性.采用适当的多重热处理不仅提高了材料的强度和塑性,而且使材料的断裂韧性有一定程度的提高.

粉末冶金TA7 ELI合金的制备及其界面反应层

采用Ti-5A1-2.5Sn ELI(TA7 ELI)洁净预合金粉末通过热等静压(HIP)致密化工艺制备TA7 ELI合金。利用粒度仪和扫描电镜等对粉末的粒径分布、形貌和化学成分进行表征。利用金相显微镜分析热等静压后TA7 ELI合金的显微组织,利用电子探针分析包套和粉末反应层的元素分布。结果表明:粉末的平均粒度约为80μm,形貌呈球形;经1000℃、130 MPa、3 h热等静压后,材料的相对密度达到理论密度的99.5%,获得平均晶粒直径约为40μm的细小等轴晶组织;包套与TA7 ELI粉末界面反应层厚度为3～8μm,反应层富集Al和Sn元素,Fe元素沿TA7 ELI晶界快速扩散,在界面附近呈网状分布。

一种新型人工颈椎间盘的生物力学研究

目的研制一种新型人工颈椎间盘并评价其生物力学特点。方法设计一种新型4部件球窝关节人工颈椎间盘,使用新型低弹性模量钛合金(50 Gpa)及医用聚醚醚酮制造,应用生物材料试验机分别进行轴向压缩刚度及疲劳检测,并对植入人工颈椎间盘后的羊颈椎标本进行运动学检测。结果新型人工颈椎间盘具备前屈、后伸、侧弯功能,经过生物力学检测,人工颈椎间盘符合人体力学要求,疲劳试验进行1×107次,未发生明显的损坏及变形。运动学研究表明植入羊颈椎标本后可以维持羊颈椎标本的运动学要求。结论新型人工颈椎间盘符合人体力学要求。

Ti60合金电弧离子镀Ti-Al-Cr防护涂层的抗循环热冲击性能

利用电弧离子镀技术在Ti60合金表面制备了Ti-48Al-5Cr和Ti-48Al-12Cr(原子分数,%)两种涂层.研究了Ti60及涂层样品在高温(900℃和950℃)和室温(强制水冷)之间的抗循环热冲击能力.分析了热冲击过程中样品的质量变化、相组成、表面及截面形貌的显微照片.结果显示Ti-48Al-12Cr涂层具有较好的抗循环热冲击性能,能有效地保护Ti60基体.而Ti-48Al-5Cr涂层不能有效地保护基体,这是因为Cr元素含量不同导致氧化机制的差异.热冲击实验加速了氧化物的剥落和破坏,因此加速了内氧化的发生和裂纹的萌生、扩展.

Ti2AlNb近净成形部件的热处理开裂分析

针对Ti2AlNb粉末冶金近净成形部件在固溶热处理后开裂的问题进行了分析。结果表明:热等静压过程中包套发生微泄漏,炉腔中高温高压氩气进入包套内部,形成微孔隙类缺陷;这些孔隙在热处理的过程中会发生膨胀形成热诱导孔洞,使部件受到拉应力形成严重的应力集中成为裂纹源,而Ti2AlNb合金属于脆性材料对缺口敏感,一旦裂纹形成会迅速扩展造成部件开裂。

Ti-4．4Al-3．8Mo合金的亚稳相变及其对硬度的影响

对锻态Ti-4.4Al-3.8Mo合金分别进行了β单相区和α+β两相区(相变点之下45℃)淬火处理,研究了亚稳相变对硬度的影响.结果表明,β单相区淬火处理的样品硬度比α+β两相区处理的样品高约10%.β单相区淬火后的相组成为全α′马氏体,自910℃的α+β两相区淬火后的相组成为等轴初生α相+α′马氏体+α″马氏体.硬度出现差异的主要原因是后者中存在硬度较低的初生α相和α″马氏体.本文修正了Ti-β稳定元素二元系亚稳相图(示意图),指出在α+α′和α+α″相区之间存在α+α′+α″相区,并使用修正后的相图解释了Ti-4.4Al-3.8Mo合金的相组成与硬度的关系.

时效温度对Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Sn-2Zr-1V-0.4Fe-0.15Si合金显微组织的影响

采用金相显微镜、X射线衍射(XRD)和透射电子衍射(TEM)等方法研究了时效温度对一种(α+β)两相钛合金显微组织的影响。结果表明:时效温度对合金中初生α相形貌的影响较小,但α稳定元素Al和β稳定元素Mo、Cr等在初生α中的变化呈相反规律;随时效温度的升高,合金中β相的晶格常数逐渐变大,并且次生α相的尺寸呈现一定的粗化,但次生α相的体积分数变化较小。TEM研究显示,次生α相与β相符合经典的取向关系。

铂族及过渡金属对Ti合金钝化影响机理研究

采用递归法计算了Ti合金的电子结构,从电子层面证实了Ni,Co,Pt,Ru,Ir在合金表面偏聚.聚集的Ni,Co以团簇的形式分布在合金表面,Pt,Ru,Ir与钛形成有序相.合金元素团簇与不含合金元素的Ti区形成微电池,在腐蚀介质的作用下使Ti优先分解,留下难溶的合金元素的颗粒在合金表面形成富集层.有序相中Ti的活性高于合金元素,Ti溶解,同样留下合金元素的颗粒在合金表面形成富集层.合金元素的富集层通过电催化作用促进Ti合金的钝化,从而提高Ti合金的抗腐蚀能力.同时添加贵金属和过渡元素(Ru和Ni,Ru和Ir,Ru和Mo,Ru和W)与添加单独Pt等贵金属产生同样效果.

热处理对650℃短时用Ti650板材显微组织和力学性能的影响

文摘研制了一种Ti-Al-Sn-Zr-Mo-W-Si系650℃短时应用的Ti650钛合金板材。采用光学显微镜和扫描电镜分析了不同的热处理制度对11 mm和2 mm厚两种规格板材的显微组织的影响,并测试了力学性能。结果表明:经三重热处理后,Ti650钛合金拥有良好的室温、650℃拉伸性能和室温冲击性能。

大尺寸薄壁Inconel 718环件粉末热等静压近净成形

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法(Electrode induction melting gas atomization,EIGA)制备了Inconel 718预合金粉末,并对预合金粉末进行了表征。通过预合金粉末热等静压工艺制备了Inconel 718粉末合金坯料并测试力学性能,力学性能接近锻件。采用有限元法进行了Inconel 718环件的热等静压数值模拟,并结合模具设计,实现了粉末高温合金复杂结构件的整体近净成形。