航空发动机钛合金分子动力学计算技术研究进展

未来航空发动机推重比等性能不断提升,对钛合金部件的高温力学及结构稳定性等提出更高的需求。传统实物实验在时间、空间尺度的局限性日益凸显,对于微观瞬态现象及机理的深入研究存在一定难度。而分子动力学(molecular dynamics,MD)计算技术以原子/分子模型为计算对象,在引入牛顿经典力学与经验参数的基础上,较量子计算方法大幅度提高了计算效率,从而成为实现航空发动机钛合金工艺参数优化与组织性能计算的重要技术途径。本文在概述MD计算空间与时间尺度优势基本原理的基础上,重点介绍通过MD计算方法研究钛合金成形制造、微观组织与结构、力学与热力学性能、材料设计和力场开发等方面的研究进展,以及有助于航空发动机钛合金耐高温性能提升的代表性结论。最后结合航空发动机钛合金对MD计算技术的需求,展望未来研究方向,指出基于MD计算方法的钛合金高通量成分设计、训练针对成熟钛合金成分体系的分子力场和将新型ReaxFF(reactive force field)反应力场引入钛合金燃烧机理研究中面临的挑战。

TiZrAlHf钛基中熵合金热变形及组织演变规律

为优化新型TiZrAlHf钛基中熵合金的热加工窗口,采用热压缩模拟实验和组织表征的方法对热变形特性、热变形组织演变规律进行研究。结果表明:TiZrAlHf合金铸锭的组织主要由片层状α相和晶界处的魏氏组织组成。合金β转变温度(Tβ)为895℃,在α/α+β相区(700~850℃)测试工艺范围内变形时,变形温度700~750℃之间存在失稳区,热变形激活能为827.514 kJ/mol,变形组织主要为球状α相,软化机制为片层状α相球化;在β相区(900~1100℃)测试工艺范围内,加工图中不存在失稳区,同时所有试样均完好,无开裂,能够采用自由锻造的方式进行开坯及改锻,热变形激活能为113.909 kJ/mol,变形组织主要为拉长的β晶粒和内部的针状α′马氏体,软化机制为动态回复;两种变形软化机制的本质均为位错的增殖、滑移和胞状结构演化。

低成本钛合金在车辆上的工程应用研究

随着钛合金在航空航天等领域的用量不断提升,昂贵的加工和使用成本已经成为制约其扩大应用的主要障碍,迫切需要发展低成本钛合金材料及其加工技术,因此钛合金低成本化以及钛合金材料成形的低成本化已成为国内外钛工业领域研究的重要方向。本文通过添加100%返回料的方式,成功制备了化学成分合格的Ti-Al-V系低成本钛合金铸锭,并采用短流程轧制技术制备了各种规格的板材,分析了轧制过程中Ti-Al-V系低成本钛合金的组织性能演变过程,研制的各规格板材通过了某车辆炮塔体的考核试验。同时采用短流程锻造加工技术,研制了低成本高性能钛合金平衡肘锻件,其显微组织和力学性能均能满足技术标准要求,通过了某车辆的跑车考核试验。

航空发动机用β锻TC17钛合金时效析出行为研究

采用扫描电子显微镜对β锻TC17钛合金的时效析出行为进行研究,并以拉伸性能和断裂韧度试验表征不同时效处理对其力学性能的影响。研究结果表明:经两相区固溶+不同时效温度热处理后,α相在β相基体上析出、形核、长大。随着时效温度的升高,次生α相含量逐渐降低且分布不弥散,抗拉强度线性下降,塑性升高,断裂韧度线性升高。经630℃不同保温时间的时效,短时间次生α相呈针状,随着保温时间的延长,次生α相厚度d从42nm粗化至138nm,含量ωa从12.6%下降至4.5%。抗拉强度R_m与次生α相厚度、含量呈R_m=1.01ωa-0.95d+1274.1关系变化。次生α相的厚度降低和含量增加均能使抗拉强度提高,塑性和断裂韧度降低。

航空发动机用大规格TC17钛合金棒材显微组织均匀性研究

利用电子背散射衍射(EBSD)技术对Ф500 mm TC17钛合金棒材显微组织的均匀性进行了研究,分析了不同部位α、β相的晶体取向。结果表明,棒材边部和心部的初生α相等轴化良好,取向分布均匀;锻后冷却速度会影响棒材边部和心部组织中等轴α相的晶粒尺寸,心部显著大于边部。在光学显微镜下原始β晶界不明显,但心部组织中出现β相基本保持取向一致的"宏区",说明原始β晶粒破碎程度不足。对于大规格TC17钛合金棒材,仅凭借显微组织判定其均匀性存在漏洞,需增加β晶粒度检查以规避后续出现粗大原始β晶粒的风险。

β锻TC17钛合金大块α相研究

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射和三维原子探针等系统研究β锻TC17钛合金锻件显微组织中大块α相的形貌、元素分布和取向分布。结果表明:在晶界附近、原始β晶粒内部、再结晶晶粒内部均存在块状α相,并且晶粒内部还可以观察到粗大长条α片等异常组织。各类异常的α相和对应的β基体中主合金元素分布无明显差异,不是形成大块α相的主要原因。针状α相在晶粒内部随机分布,在显微镜下呈针状或点絮状。另外,α相的取向也决定了片层形貌,细小的再结晶晶粒和变形量较低的晶粒内部能观察到粗大的片层和团聚的大块α相,将细小的再结晶晶粒认定为未变形或轻微变形的晶粒,同一晶粒的晶界α相取向单一,晶粒内部也多为同一取向的α片。冷速慢时,取向相同的α相易团聚,α相横截面除呈现弥散分布的点絮状外,还会以贯穿整个晶粒或团聚在晶界附近的块状呈现。

航空用钛合金显微组织控制和力学性能关系

钛合金由于具有多样性和复杂性的固态相变特征,其组织性能关系一直都是材料科学工作者研究的热点之一。通过调整钛合金的成分配比、加工工艺以及热处理工艺参数,可以在一定范围内调整钛合金制件的组织类型与组织参数,实现强度、塑性、韧性、疲劳和疲劳裂纹扩展速率等综合性能的最佳匹配。本文在对比钛合金材料的等轴组织、双态组织、网篮组织和片层组织四种典型显微组织特征以及控制技术基础上,以航空用TC21钛合金、TC4-DT钛合金、TC32钛合金以及TB17钛合金为例综述不同显微组织特征与拉伸性能、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率的影响关系,为钛合金选择合适的组织参数、实现最佳的综合性能匹配和稳定批量生产提供参考依据。

冷却速率对TB17钛合金显微组织和力学性能的影响

研究了不同冷却速率对TB17钛合金固溶态和固溶时效态的相组成、显微组织、拉伸性能和断裂韧度的影响。结果表明:TB17钛合金以不同的冷却速率进行固溶处理后,其显微组织均由残余β相以及其上分布的尺寸不一的片层状α相组成,仅发生了β→α相变,未发生β→ω相变和β→α″等相变;随着冷却速率的降低(由水冷到炉冷),其拉伸强度呈现逐渐增加的趋势,而拉伸塑性则先降低后升高。经固溶时效处理后,TB17钛合金的显微组织均由粗片状初生α相、残余β相以及其上弥散分布的细片层状α相组成;由于固溶冷却速率不同,使得在时效过程中析出的细片层状α相的大小和形态各不相同。随着冷却速率的降低,TB17钛合金的拉伸强度呈现逐渐减小的趋势,而拉伸塑性则呈现逐渐升高的趋势,同时断裂韧度亦呈现逐渐增大的趋势,尤其是炉冷的固溶时效态合金,其断裂韧度达到了148.06 MPa·m^(1/2)。

Ti-5.5Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金热变形行为及组织演变规律研究

为探究Ti-5.5Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金热变形过程中的动态热变形行为及组织演变规律,采用Gleeble-1500热模拟实验机进行了热压缩实验(变形温度855~1015℃、应变速率0.001~10s^(-1)、变形量60%),构建了Arrhenius型热变形本构方程,并对热压缩后的微观组织和晶界结构进行了分析。结果表明:合金在高温热压缩过程中具有明显的动态软化特征,流变应力随变形温度的升高而降低,随变形速率的提高而增大。合金在(α+β)相区的热变形激活能为541kJ/mol,在β相区的热变形激活能为243 kJ/mol。其微观组织演变受变形温度和变形速率影响敏感,合金在(α+β)相区的主要软化机制为动态再结晶,变形晶粒边界处形成了大量细小的再结晶晶粒以及大角度晶界;在β相区软化机制以β相动态回复为主,变形后粗大β晶粒经冷却转变为晶内交错排列的细长针状α相组织。

600℃高温钛合金双性能整体叶盘锻件制备技术研究进展

为了进一步挖掘600℃高温钛合金整体叶盘的性能潜力,通过材料技术和工艺技术的优化,创新发展了双性能整体叶盘设计思路及制备技术,即控制叶片和盘体分别采用最为适合航空发动机实际使用工况要求的组织状态,实现材料性能和结构设计的融合。在回顾整体叶盘结构发展历程及应用的基础上,分析先进发动机结构设计由追求均质整体叶盘向双性能整体叶盘转变的原因,重点介绍600℃高温钛合金TA29双性能整体叶盘锻件制备技术的最新研究进展。与分区控温锻造相比,分区控温热处理更容易实现双重组织的控制,即叶片获得等轴均匀细小的双态组织,盘体通过精确可控的β区热处理得到细晶的片层组织,过渡区的显微组织沿整体叶盘径向平缓变化。最后,指出600℃高温钛合金双性能整体叶盘应用研究未来拟解决的关键问题,包括整体叶盘叶片和盘体组织性能精确控制、过渡区位置及尺寸控制、关键服役性能评价与研究等。

高温钛合金制造技术研究进展

高温钛合金制造技术已成为先进航空发动机技术的核心与关键,近年来受到高度重视。在简要回顾新型高温钛合金、阻燃钛合金和Ti-Al系金属间化合物合金发展的基础上,从大规格铸锭熔炼、挤压开坯、整体叶盘模锻、环件轧制及零件机加工等方面介绍这些高温钛合金制造技术研究所取得的重要进展。最后,提出我国高温钛合金应用研究中需要重点关注的问题以及进一步发展的建议。

TB17钛合金热压缩流变应力分析及本构方程

使用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为800~1000℃、应变速率0.001~10 s^（-1）以及真应变为1.2的条件下对TB17钛合金进行热变形行为研究。根据热压缩数据,分析真应力-真应变曲线,计算TB17钛合金变形激活能,并建立了TB17钛合金应力-应变本构模型,对金相组织进行分析,并进行了本构模型的验证。结果表明,TB17钛合金在热压缩变形过程中,出现动态回复和动态再结晶现象,在低应变速率0.001和0.01 s^（-1）下,以动态再结晶为主要软化机制,在高应变速率1和10 s^（-1）下主要以动态回复为软化机制;流变应力随应变速率的下降和变形温度的升高而降低;峰值应力计算值和实验值的平均误差为6.5%,表明该模型有很高的精确度。研究为TB17钛合金塑性加工过程的模拟和控制提供了参考。

TB17钛合金高温压缩变形行为

通过Gleeble3800热模拟试验机对TB17钛合金在变形温度860~980℃、应变速率为0.001~1s–1、最大变形量为70%下高温变形行为进行研究。通过材料参数与真应变之间的关系,利用Arrhenious本构方程关系式和Z参数建立流变应力和变形温度、应变速率和真应变三者之间的本构关系,并对组织进行分析。结果表明:TB17钛合金在应变速率为0.001~0.01s–1、变形温度为890~980℃下更容易发生连续动态再结晶,而在应变速率为0.1~1s–1下主要发生不连续动态再结晶;误差分析结果显示计算值与实测值平均相对误差为6%,说明建立的本构关系模型具有较高的准确度。

TB17钛合金β相区动态再结晶行为及转变机理

通过Gleeble-3800热压缩模拟试验机对TB17钛合金β相区进行热压缩实验,研究该合金β相区的动态再结晶行为及转变机理。结果表明:TB17钛合金在β相区变形时会发生动态回复(DRV)与动态再结晶(DRX)。不同应变速率下存在两种动态再结晶形核位置,低应变速率下主要在晶粒内部形核,高应变速率下主要在晶界附近形核。通过EBSD和TEM分析可知,在低应变速率下发生连续动态再结晶(CDRX),其发生的主要形式为亚晶合并转动。高应变速率下发生不连续动态再结晶(DDRX),发生的主要形式为晶界剪切伴随着亚晶转动。尽管两种动态再结晶的转变方式不同,其本质都是通过位错的增殖、滑移和胞状结构演化形成新的动态再结晶晶粒。

Ti60钛合金室温保载疲劳性能及断裂行为

研究高峰值应力条件下Ti60钛合金双态组织和片层组织的低周疲劳与保载疲劳性能,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)等观察和分析Ti60钛合金的显微组织与疲劳断裂行为。结果表明:显微组织对低周疲劳性能影响不大,但显著影响保载疲劳性能,双态组织保载疲劳敏感性大于片层组织;保载情况下,疲劳寿命显著下降;随峰值应力的提高,疲劳寿命下降,保载疲劳敏感性增加;相同循环周次内,保载疲劳塑性应变累积大于低周疲劳,双态组织的塑性应变累积大于片层组织;低周疲劳裂纹萌生于试样表面,为单裂纹源,而保载疲劳裂纹为内部多源萌生;断口表面均存在准解理小平面,双态组织断口准解理小平面密度大于片层组织。

氧化石墨烯对600℃高温钛合金微观组织和力学性能的影响

采用控温搅拌混合和热等静压等方法,制备添加氧化石墨烯的600℃高温钛合金复合材料。通过金相观察、能谱和物相分析以及拉伸性能实验,研究复合材料的微观组织和力学性能。结果表明:氧化石墨烯添加量为0.3%(质量分数,下同)时,在600℃高温钛合金粉末中分布比较均匀,二者之间的作用方式主要为物理吸附;与未添加氧化石墨烯的合金相比,添加0.3%氧化石墨烯的复合材料的显微组织得到明显细化,α相的平均尺寸下降约36%,室温抗拉强度和屈服强度分别提高7.8%和10.4%,硬度提高25.6%。氧化石墨烯对600℃高温钛合金的强化机理主要为细晶强化、位错强化以及促进(TiZr) 6Si 3颗粒析出引起的第二相强化。

NiCrAl/YSZ/NiCrAl-B.e复合涂层对α+β型高温钛合金燃烧产物的影响

通过摩擦氧浓度方法点燃涂覆NiCrAl/YSZ/NiCrAl-B.e复合涂层的TC11钛合金,采用XRD,SEM,EDS及EPMA等微观表征方法对其燃烧产物进行分析,进而探讨复合涂层对燃烧行为的影响机理。结果表明:燃烧试样的基体从中心孔沿径向往外呈分区组织演变特征,中心孔处的钛合金基体是着火源;当燃烧程度较低时,YSZ中间层对钛合金燃烧行为的影响较小;当剧烈燃烧时,YSZ中间层通过分解反应而在钛合金熔体中大量溶解,为钛合金熔体提供了O和Zr,加速了Ti与O的快速结合,同时ZrTiO_4燃烧产物的阻氧能力比TiO_2差,从而大大促进了钛合金的扩展燃烧。

合金成分对TA15钛合金组织及力学性能的影响

为分析TA15钛合金成分的微小变化与显微组织和力学性能之间的响应关系,利用电子万能拉力试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置测量了4种不同成分TA15钛合金的室温准静态拉伸性能和动态力学性能,结果表明:Zr元素对室温拉伸强度性能影响微弱,随着主合金元素Al、V和Mo元素含量的增加,初生α相含量减小,次生α相片层较细,合金的强度提高,塑性下降;在临界应变率范围内,合金成分的微小变化对动态力学性能的影响微弱,提高主合金元素Al、Zr、V和Mo元素含量,有利于提高合金的临界应变率,且在此临界应变率下具有优异的动态力学性能;对于空冷条件下获得的等轴组织TA15钛合金,初生α相体积分数越小、次生α相片层较细时有利于室温抗拉强度、临界应变率和动态力学性能的提高。

高载荷作用下Ti6242钛合金低周疲劳和保载疲劳损伤行为分析

Ti6242作为一种力学性能优异的近α型钛合金,与其他近α和α+β型钛合金类似,在接近室温时表现出保载疲劳的特征。本研究借鉴钛合金保载疲劳敏感性随测试载荷提升而上升的变化规律,设计高载荷的低周疲劳和保载疲劳力学性能测试,结合微观组织观察、力学性能表征和断口分析,系统分析微观组织和高载荷作用下低周疲劳和保载疲劳损伤行为,建立微观组织与力学性能的联系,总结不同载荷条件下的断口特征与规律,评估高载荷测试条件下Ti6242钛合金保载疲劳敏感性,结果证明通过提高载荷来表征Ti6242钛合金的保载疲劳性能具有可行性。

冷轧Ti-Nb-Zr-O高弹性钛合金的组织演变和力学性能

以Ti-35Nb-2Zr-0.3O(Ti3523)为研究对象,研究了冷轧变形量对合金的组织和性能的影响规律,分析了其塑性变形机制。结果表明:冷轧过程中,合金存在{332}<113>孪生变形、应力诱发马氏体α″相变、滑移变形三种变形机制。当变形量为42.3%时,应力诱发马氏体相变,较强的<110>织构和晶体缺陷密度较多的松散结构导致其弹性模量较低,此时Ti3523合金的弹性模量仅为54 GPa、屈服强度为875 MPa、抗拉强度可达1013 MPa,实现了单一材料高强度和低弹性模量的有机调和,有望满足高超声速、可变机翼飞行器等新型航空装备对高性能弹性材料的需求。