钛合金空心点阵超塑成形/扩散连接成形工艺和性能研究

钛合金空心点阵是典型的承载–功能一体化结构,采用单轴拉伸方法,在不同温度、应变速率条件下测定TA15、TA32钛合金的超塑拉伸延伸率,最大延伸率分别达到1450%和950%,后在不同温度、压力条件下进行扩散连接试验。根据超塑拉伸和扩散连接试验,确定了超塑成形和扩散连接(Superplastic forming/diffusion bonding,SPF/DB)的最佳工艺参数为:920℃/1.5~2.0 MPa/2 h,制备了不同构型和几何参数的TA15、TA32钛合金空心点阵结构件。采用平压方法和三点弯曲方法测定了钛合金空心点阵的力学性能,压缩和弯曲强度最大值分别达到23.83 MPa、596MPa,通过有限元和试验分析的方法,研究了几何参数对钛合金空心点阵平压和弯曲性能的影响规律。采用单面加热方法,研究了钛合金空心点阵结构的隔热性能,在400℃/1 h条件下,隔热温差达到276.3~310℃。

基于搅拌摩擦焊的TC4钛合金超塑成形性能研究

搅拌摩擦焊转速对锥形件的超塑成形性能影响不明显,但焊接接头经SPF后的微观组织长大显著,这可能与搅拌头对原始板材的破碎而导致的晶粒畸变能和亚晶有关。

Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo合金板材超塑成形组织及性能研究

分别采用最大m值法和恒应变速率法对Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo合金(SP700钛合金)板材进行超塑拉伸,研究了755~785℃、0.1~0.005s-1及不同方向的单向条件下其超塑拉伸变形行为和典型件的超塑成形行为及力学性能。结果表明:SP700钛合金具有优异的低温超塑性,采用最大m值法在45°方向、775℃变形后,获得3110%的最高延伸率,变形诱发晶粒长大使SP700钛合金抵抗颈缩的能力增加。受双向拉应力作用的锥形件,在755℃具有最优的超塑成形工艺性,锥形件高度可达到100mm,并且晶粒尺寸无明显变化。经33%超塑变形量的试样室温力学性能略高于无变形试样,其室温抗拉强度和延伸率平均值分别达到1027MPa和16.8%。

连续SiC纤维增强钛基复合材料横向高温变形机理研究

针对连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti)成形的技术难题,利用沿垂直纤维方向基体具有大变形的能力,可以采用超塑成形/扩散连接技术(SPF/DB)成形出复合材料空心构件。在不同工艺参数条件下,测试了SiC_f/Ti复合材料的横向高温变形规律,并分析了变形温度、应变速率、纤维含量等工艺参数的影响规律,对不同参数条件下拉伸试件的微观组织和断口形貌进行了对比,分析了复合材料的高温变形机制。

超塑变形对钛合金激光叠焊接头微观组织的影响

对超塑变形前后TC4钛合金激光叠焊接头的微观组织进行观察与分析。结果表明:在超塑变形过程中,焊缝的马氏体针状组织转变为层片状,变形过程中层片状组织被打断,超塑变形温度越高,层片状组织越碎化;超塑性变形应变速率对钛合金显微组织有重要影响,随着应变速率减小,母材α相的数量减小,而晶间β相数量逐渐增加,且两相都有等轴化趋势,但由于应变速率的减小,使得晶粒有一定程度长大;TC4钛合金激光焊焊缝组织由原始针状组织逐渐发展为层片状组织是超塑变形过程中激光焊焊缝剪切应力、相转变以及变形过程中动态再结晶等因素共同作用的结果。

SiC纤维增强β21S复合材料及蒙皮结构制备技术研究

采用箔-纤维-箔方法制备了SiC纤维增强β21S复合材料(SiC_f/β21S),其中箔材采用冷轧+退火处理的方法获得,纤维布采用数控纤维缠绕机获得。采用有限元分析软件对纤维布与箔材的复合过程进行了计算,确定了较佳的制备工艺参数。在较佳的工艺参数条件下制备SiC_f/β21S复合材料,其中热等静压工艺参数为830℃、860℃/120MPa/2h,然后在不同温度条件下,进行0h、9h、25h、49h的真空热处理,对SiC_f/β21S复合材料的纤维/基体界面和基体微观组织进行了分析,研究了界面反应层的微观组织演变和动力学长大规律。采用箔-纤维-箔方法与热等静压成型工艺相结合的方法,在最佳工艺参数条件下制备了SiC_f/β21S复合材料蒙皮结构,并对其组织和性能进行了测试分析。

颗粒增强铝基复合材料结构高阶振型疲劳试验技术研究

针对颗粒增强铝基复合材料结构开展疲劳试验技术研究,提出了一种高阶振型的振动疲劳试验方法。试验结果表明,该结构的理论、实测振动特性一致,第3阶振型下,试验件振动应力与振幅之间仍服从线性变化规律,理论和实际破坏部位相同,表明本研究提出的试验方法有效。该方法在保证试验准确性的基础上将试验周期缩短了2/3,对开展颗粒增强铝基复材结构疲劳性能评价,推动新材料、新结构的工程化应用具有重要意义。

连续SiC纤维增强钛基复合材料高温变形研究

采用单轴拉伸的方法测试了Si C纤维增强钛基(Si Cf/Ti)复合材料横向高温变形的应力-应变关系,研究了温度、应变速率对应力-应变关系的影响规律,分析了复合材料的高温变形机制。研究表明,在应变速率为1.0×10-4~5.0×10-3s-1,温度为880~940℃条件下,延伸率为150%~200%。在高温变形过程中,复合材料主要的变形机制是纤维/基体界面剥离和基体的超塑性变形。

温度对TNW700高温钛合金双向超塑性锥杯成形的影响

在910,930和950℃这3种温度下,针对我国新型TNW700高温钛合金薄板开展了双向超塑性圆锥胀形试验,并对圆锥胀形过程进行了理论分析。结果显示:在稳定加载气压的作用下,随着温度的升高,TNW700高温钛合金板料的超塑性变形能力呈先提升、后下降的趋势,在930℃时获得最佳的成形高度和表面应变,且试件具有最均匀的壁厚分布和最稳定的塑性流变。950℃的试样比930℃的试样的最大表面应变下降了11.8%,但其具有最大的平均应变速率。对试件的微观组织观察可知:随着温度的升高,材料不仅发生了晶粒长大的现象,而且伴随有β相的产生;在同一温度下,随着变形量的增加,一定体积分数的β相增加有利于稳定该材料的塑性流变。

喷丸强化对表面完整性影响的研究现状与发展

综述了喷丸强化技术对材料表层残余应力分布、显微组织结构、表面粗糙度和表层硬度分布等表面完整性因素影响的研究进展,阐述了不同喷丸强化技术与材料表面完整性因素间的关系以及基于表面完整性调控的喷丸强化技术的发展趋势。

激光焊接Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo合金的超塑成形组织及性能

对光纤激光焊接的SP700钛合金的超塑变形性能、组织演化及变形后的力学性能进行研究。结果发现,800℃锥形件变形时,焊接方向平行轧制方向具有更优的超塑变形性能,最大成形压力为0.8 MPa,最大成形高度为75 mm,较母材高20 mm。随着变形量的增加,焊缝区粗大的柱状晶和焊接接头咬边逐渐消失,晶粒得到细化。经过33%的超塑变形量后,焊接方向平行和垂直轧制方向的抗拉强度均有所下降,但平行轧制方向、775℃成形的抗拉强度下降最小,仅为2.2%。锥形件和盒形件拉伸试样的断裂失效位置均在母材上。

湿喷丸处理Ti-6Al-4V合金微动磨损行为影响

采用湿喷丸技术对Ti-6Al-4V合金进行表面强化处理,研究了部分滑移、混合滑移和完全滑移等不同状态下钛合金样品的微动磨损行为,从微动状态角度探讨喷丸强化对钛合金微动磨损行为的影响规律。试验结果显示,喷丸处理对于完全滑移状态下Ti-6Al-4V合金的微动磨损行为影响较小;而在混合滑移状态时,喷丸处理使得微动磨痕的塑性变形积累区消失,有效抑制局部疲劳损伤造成的微裂纹萌生。这是因为喷丸引入加工硬化作用使材料表层局部强度提高,进而改善局部疲劳损伤。

钛合金层状复合结构裂纹扩展性能研究

为了研究钛合金扩散连接层状复合结构的裂纹扩展特性,进行了钛合金原材料板和含止焊区的扩散连接复合层板裂纹扩展试验,通过断口判读获取裂纹扩展数据,建立了裂纹扩展dc/d N-c曲线,对两种试件的裂纹扩展寿命和裂纹扩展规律进行了对比分析。结果表明,两种试件沿孔径方向的裂纹长度从1.5mm扩展至试件断裂对应的裂纹扩展寿命存在明显差别,含止焊区的扩散连接复合层板的裂纹扩展寿命比原材料板显著提高,同时复合层板沿孔径方向的裂纹扩展速率明显低于单层原材料板,这是由于扩散连接复合层板止焊区界面的存在对裂纹扩展起到了明显的减缓作用。

搅拌摩擦焊Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo合金的超塑性变形行为研究

SP700钛合金(Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo)具有非常优异的低温超塑性和较宽的低温热加工窗口。本文分别采用最大m值法和恒应变速率法,针对SP700钛合金搅拌摩擦焊接头超塑性变形行为进行了研究。研究结果表明:采用最大m值法在795℃获得了最大超塑延伸率为989.9%;采用恒应变速率法,在795℃、应变速率为5×10-4s-1条件下获得最大超塑延伸率为687%。两种方法较母材的最佳超塑温度(765℃)均有所提高。对比搅拌摩擦焊焊核区的细晶组织,经超塑拉伸变形后,微观组织晶粒粗化严重,且β相含量减少。引起晶粒显著粗化的原因可能是经搅拌摩擦焊剧烈的塑性变形后导致的晶粒内部畸变能增加,在后续的超塑变形过程中晶粒长大势能增加所致。较高应变速率条件下的变形机制为晶粒拉长、长大、断裂和再结晶球化。搅拌摩擦焊焊接接头焊核区及热机械影响区存在较为明显的组织不均匀,经超塑变形可有效改善搅拌摩擦焊焊接接头的组织不均匀性。

扩散连接界面缺陷对Ti-6Al-4V合金力学性能的影响

研究了φ4mm与φ2mm的扩散连接界面缺陷对Ti-6Al-4V合金力学性能的影响。当拉伸载荷方向与缺陷平面平行时,材料的强度与塑性与无缺陷材料相当,这是由于此类缺陷对样品受力截面的面积几乎没有影响。含有φ4mm缺陷试样的拉压疲劳寿命展现出很大的分散性,界面缺陷并未成为裂纹萌生的唯一位置。从表面起裂的样品均处于高寿命区域,而绝大部分从缺陷处起裂的样品均落于低寿命区域。有限元分析表明,当缺陷位于中心位置时其引起的应力集中较小,应力分布梯度较小;缺陷位于边缘位置时,应力集中效应增大。

Ti_(3)Al合金加中间层扩散连接界面性能及在SPF/DB工艺中的应用

钛-铝金属间化合物是替代高温合金的新型轻质耐高温高强材料,在航空航天领域极具应用前景,但要实现钛铝合金扩散连接,应在非常苛刻的条件下进行。通过采用0.1 mm钛合金中间层,在温度900℃、压力2.5 MPa条件下,可以实现100%的扩散焊合率,界面剪切强度最高达到626.9 MPa,相同条件下直接扩散连接焊合率<20%,剪切强度只有41.1 MPa。当中间层减薄到0.03 mm时,扩散连接界面强度下降为481.6 MPa。对扩散界面的组织分析表明:中间层与Ti_(3)Al合金之间发生了元素互扩散,过渡区有相变和相长大现象。当中间层厚度为0.1 mm时,剪切断口为均匀分布的细小韧窝,呈延性断裂特征。当中间层厚度减薄到0.03 mm时,断口呈现延性断裂和沿晶解理脆性断裂的双重特征。

TNW700高温钛合金板材超塑变形行为研究

TNW700钛合金是我国自主研发的近α型、可在700℃短时使用的高温钛合金。针对TNW700合金板材在温度为890~950℃、恒应变速率为0.0100~0.0005 s^(-1)下的单向超塑拉伸变形行为进行了研究,利用Zener-Hollomn参数和Arrhenius方程建立了TNW700钛合金的峰值应力本构方程。结果表明:TNW700钛合金的超塑性变形行为与普通钛合金不同,其加工硬化阶段较长,且温度越高、应变速率越低,动态硬化的效果更加明显,远高于再结晶软化程度,晶粒尺寸的增加是导致加工硬化的主要原因。在950℃,0.0005 s^(-1)条件下获得的最大延伸率为933%。所建立的峰值应力方程为σ_p=17.414[1.047(lnε+540210/RT)-46.587],其变形激活能Q=540.21 k J·mol^(-1)。在较低温度条件下变形,在断口附近由于应变速率高和变形温度低的双重作用在晶界三角区产生应力集中使晶界滑移变得困难而导致有孔洞产生。随着变形温度的升高,β相含量和尺寸逐渐增加,高温、高应变速率条件下有次生α相析出,采用电子探针分析(EPMA)发现β晶粒微区成分的变化是次生α相产生的主要原因。

基于最大m值法的Ti-23Al-17Nb板材各向异性的超塑性研究

最大m值法是获得高超塑延伸率的有效方法之一.本文采用最大m值法对Ti-23Al-17Nb（at.%）合金在温度为940~1000℃、不同方向的超塑拉伸变形行为进行了研究.结果表明：在垂直轧制方向、1000℃条件下进行超塑拉伸,获得的最高延伸率为2507.4%,是至今该类Ti3Al基合金所报道的文献中的最高值.随着变形温度和变形量的增加,原始长条α_2晶粒重复经历拉长、断裂和球化的过程,这是获得高延伸率的原因之一,也是各向异性始终存在的原因.在一定变形条件下,α_2晶粒尺寸和体积分数较大时更有利于Ti3Al基合金的超塑性.1000℃变形时大应变会诱发O相析出,增加了合金抵抗颈缩的能力,从而获得更高的延伸率.

Ti-22Al-25Nb合金扩散连接工艺及连接机制研究

针对Ti-22Al-25Nb合金(Ti2AlNb合金)板材在温度为950~980℃、气压为2.0~3.5 MPa、时间为2~3 h下的真空扩散连接工艺及机制进行了研究。结果表明:影响Ti2AlNb合金扩散连接焊合率的最主要因素为表面粗糙度(Ra),当Ra小于0.2μm时,焊合率可在950℃,2.0 MPa下达到90%以上。揭示了Ti2AlNb合金扩散连接机制,通过采用单相区扩散连接对比试验和静态热处理试验,认为固溶温度下的扩散连接主要在压应力作用下,B2相和B2相的扩散连接是通过冷却析出的等轴O相颗粒实现焊缝连接;低于固溶温度扩散连接,O相与O相之间的连接通过大角度晶界转变为小角度晶界和晶界移动实现连接,而B2相与O相则通过应力诱发相变生成的B2相实现连接。