激光选区熔化生物医用Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为

分析了SLM Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为及相应的微观组织和断口形貌,设置与SLM试样化学成分相同的轧制态Ti-6Al-4V合金进行对比研究.采用X射线衍射(XRD)、结合电子背散射衍射(EBSD)的扫描电子显微镜(SEM)对合金的微观组织进行分析.结果表明,三点弯曲疲劳裂纹起始于准解理断裂表面附近的应力集中,随后向内扩展.SLM成形Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳寿命高于轧制成形Ti-6Al-4V合金,SLM Ti-6Al-4V合金内部孔洞缺陷导致表面附近应力集中,促进疲劳裂纹形核;而SLM Ti-6Al-4V合金中随机取向的α+β晶粒、二次裂纹和孔洞延缓了裂纹扩展,提高了疲劳寿命.对于轧制态Ti-6Al-4V合金,由大量近似取向α晶粒组成的宏观区引起应力集中,形成微裂纹,导致疲劳裂纹形核,而且宏观区对裂纹扩展的阻碍作用较小,不利于材料的疲劳寿命.     

动高压加载条件下Ti-6Al-4V和Ti-47Nb合金层裂微结构演化规律的研究

利用平板撞击实验和样品软回收技术,结合光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)等微观分析手段,研究了动高压加载条件下Ti-6Al-4V和Ti-47Nb两种不同类型钛合金的层裂微结构特征与断裂机理。实验表明：Ti-6Al-4V合金的抗层裂破坏能力强于Ti-47Nb合金,其原因在于Ti-6Al-4V合金的高强度。Ti-6Al-4V合金层裂微孔洞大多在α/β两相界面处形核并沿相界扩展,而Ti-47Nb合金中的微裂纹是通过微孔洞直接连通形成。随后汇合的大空洞或大裂纹间形成的绝热剪切带(ASB)加速了试样层裂破坏的产生,Ti-6Al-4V与Ti-47Nb合金均表现出了韧性断裂特征。     

动高压加载条件下Ti-6Al-4V和Ti-47Nb合金层裂微结构特征与断裂机理

利用平板撞击实验和样品软回收技术,结合光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)等微观分析手段,研究了动高压加载条件下Ti-6Al-4V和Ti-47Nb 2种不同类型钛合金的层裂微结构特征与断裂机理。结果表明:Ti-6Al-4V合金的抗层裂破坏能力强于Ti-47Nb合金,其原因在于Ti-6Al-4V合金的高强度。Ti-6Al-4V合金层裂微孔洞大多在α/β两相界面处形核并沿相界扩展,而Ti-47Nb合金中的微裂纹是通过微孔洞直接连通形成。随后汇合的大空洞或大裂纹间形成的绝热剪切带(ASB)加速了试样层裂破坏的产生,Ti-6Al-4V与Ti-47Nb合金均表现出了韧性断裂特征。     

Y元素对铸造Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响

本文研究了Y元素合金化对铸造Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响。铸态合金微观组织与力学性能分别利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和拉伸试验进行表征。结果显示,Ti-6Al-4V合金呈现典型的魏氏组织特征。添加Y元素后,合金中形成Y2O3颗粒并分布在初生β晶粒的晶界处,同时在晶界两侧形成平行的α/β层片结构,而晶粒内部形成相互交叉的α/β层片结构,即Y2O3明显改变了Ti基体片层组织形貌。相比于Ti-6Al-4V合金,添加Y元素之后,合金的屈服强度和抗拉强度稍有提高,但是平行的α/β层片结构和Y2O3颗粒引起合金由解理断裂向延晶断裂转变,进而导致延伸率显著减小。所以,Ti基体微观组织变化对合金力学性能同样具有重要作用。     

激光多层沉积Ti-6Al-3Mo合金的微观组织与性能

以纯Ti,Al,Mo元素粉末为原料,采用激光多层沉积技术制备Ti-6Al-3Mo合金,研究了激光多层沉积Ti-6Al-3Mo合金的微观组织特征及硬度分布.首先针对合金沉积层的凝固组织展开研究,分析激光多层沉积Ti-6Al-3Mo合金的凝固组织的形态特征及形成规律,并结合多元合金凝固柱状晶/等轴晶转变模型分析其形成机理.结果表明,激光多层沉积Ti-6Al-3Mo合金的凝固组织由外延生长的粗大柱状晶组成,仅在沉积试样的最顶部,形成一层薄薄的细小等轴晶;其次研究了β晶内α相的形成和分布.结果表明,原始β晶内的微观组织主要由大量的α束域,初生魏氏α板条以及板条间β相组成.在组织研究的基础上,对沉积层不同区域的硬度分布进行测试,为激光多层沉积Ti-6Al-3Mo合金的进一步深入研究及应用奠定科学基础.     

激光焊接对SPF/DBTi-6Al-4V合金疲劳性能的影响

研究了SPF/DB Ti-6Al-4V合金及其激光焊接接头静态拉伸性能和疲劳性能,并获得S-N曲线.通过观察组织特征和疲劳断口形貌,分析了激光焊接对SPF/DB Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响.结果表明,SPF/DB T-6Al-4V合金激光焊接接头的抗拉强度略低于母材抗拉强度,而疲劳强度明显低于母材疲劳强度,约为其抗拉强度的40%.SPF/DB Ti-6Al-4V合金组织为α+β等轴细晶组织,其焊接接头组织为含α,针状马氏体α'和少量β相的魏氏组织结构.焊接接头组织结构的不均匀性,以及组织的粗大化是导致激光焊接接头疲劳性能下降的重要原因.SPF/DB Ti-6Al-4V合金疲劳断裂为塑性断裂,其焊接接头疲劳断裂为准解理断裂,这显著降低激光焊接接头的疲劳性能.而焊接气孔等焊缝表层微小几何不连续缺陷的存在往往成为激光焊接接头疲劳断裂的裂纹源.     

铸造Ti-6Al-4V合金拉伸断裂机理研究

对铸造Ti-6Al-4V合金进行拉伸性能测试,利用KYKY-1000B扫描电子显微镜(SEM)对其断口形貌进行观测,分析其断裂机理.结果表明,铸造Ti-6Al-4V合金拉伸试样裂纹起源于心部;裂纹扩展为穿晶型,断口为准解理型,断裂机理为穿晶型脆性断裂.     

Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr钛合金的组织和力学性能研究

Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr合金采用真空非自耗熔炼制备铸锭,且在1200℃的β区进行均匀化和开坯,在两相区选择3个温度(700、800和900℃)采用模锻工艺制备样品。采用SEM和EBSD等测试方法以及室温拉伸试验,分析了合金的铸态和锻态的微观组织以及锻态合金不同方向的力学性能。结果表明:锻态Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr钛合金中初生α相为粗大平直的片状组织,在塑性变形过程中,α相发生碎裂和动态再结晶现象,最终转变为细小等轴α相。由于钛合金在冷却过程中产生的过冷度较大,在残留β相中会形成片层α相与β相相间排列的状态。Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr合金沿RD(自由延伸方向)方向的拉伸屈服强度最高,为895 MPa;沿FD(锻造方向)方向的抗拉强度最高,为998MPa。Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr合金沿三个方向拉伸均呈现韧脆混合型断裂,沿RD方向的塑性最好,伸长率最大。相较于其他两个方向的韧窝孔,沿RD方向拉伸变形过程所产生的韧窝要大。     

选区激光熔化制备Ti-6Al-4V合金的热处理工艺及力学性能

采用选区激光熔化技术(SLM)制备Ti-6Al-4V合金圆棒试样,通过不同的热处理工艺改善材料的拉伸性能,并对SLM制备的Ti-6Al-4V合金试样开展了高周疲劳性能测试。通过微观组织和疲劳试样断口分析,揭示了显微组织结构与拉伸性能的关系,以及Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹起始源和裂纹扩展机理。结果表明,热处理工艺对SLM成型Ti-6Al-4V合金的力学性能有显著的影响,920 ℃×1 h水冷,随后800 ℃×2 h炉冷的固溶时效热处理制度可以获得较好的综合室温拉伸性能。其室温组织为晶界上分布的α相和晶粒内部片层状分布的α+β相。SLM成型Ti-6Al-4V合金显微组织中的晶界形成与扫描路径相关,热处理过程中α相会优先在扫描分区搭接处析出。与手册锻件的疲劳寿命曲线比较,在同样的最大应力水平下,增材试样的疲劳寿命比锻件的疲劳寿命低,这种降低的趋势随着应力水平的降低而逐步增大。在400 MPa的应力水平下(R=-1),锻件的疲劳寿命已经在2×10⁷水平,增材试样的疲劳寿命依然较低,约为锻件的1%。SLM成型Ti-6Al-4V合金的应力疲劳寿命偏低,是由于试样中存在未熔合缺陷造成。扫描分区搭接处易产生未熔合缺陷,而疲劳裂纹也会沿着这些缺陷扩展。     

β斑对TB6钛合金性能及拉伸变形行为的影响

通常认为TB6钛合金中的“β斑”会降低构件的力学性能,Fe元素偏析是导致β斑的主要原因。本文利用OM、SEM、EDS、EPMA等微观表征手段,结合对β斑样品拉伸过程的扫描电镜原位观察,分析了β斑区域和正常区域的显微组织、化学成分和硬度差异,研究了β斑对TB6合金拉伸变形行为的影响。结果表明：β斑区域组织中的初生α相含量少于5%,β晶粒粗大达到0.58mm,是正常晶粒尺寸的60倍以上;β斑区域的维氏硬度较正常区域略高;β斑区域中的V和Fe元素含量在宏观上无明显差异,但微区存在波动和不均匀分布,β斑区域的Fe元素含量离散性高于正常区域。V和Fe元素微区成分偏析是导致TB6合金后续加热和变形过程中相变温度差异的主要原因,局部先转变的β晶粒由于缺少晶界α相的钉扎,迅速长大。β斑材料在拉伸变形过程中,裂纹起始于粗大β晶粒的晶界处,晶界和晶内滑移是β斑组织的主要变形方式,β斑TB6合金的断裂模式为沿晶和穿晶混合的断裂模式。     

低成本β钛合金热处理后的显微组织变化和力学性能(英文)

研究了时效时间对低成本β(LCB)Ti-6.6Mo-4.5Fe-1.5Al钛合金的显微组织和力学性能的影响,以及显微组织与疲劳断裂裂纹的产生、延伸的联系。延长时效时间有助于二次α相和β晶粒体积分数的增多以及初始α相的部分球化。在500°C下热处理0.5h的合金得到的拉伸强度最大(1565MPa),疲劳极限最高(750MPa);而在500°C下热处理4h的合金得到的拉伸强度最小(1515MPa),疲劳极限最低(625MPa)。在500°C下热处理4h的合金的断裂模式为穿晶断裂,而在500°C下热处理0.5h的合金的断裂模式为穿晶断裂和沿晶断裂的混合。在疲劳样品的外表面形成的裂纹沿β晶界上初始α相延伸。     

Mg-8.07Al-0.53Zn-1.36Nd镁合金微观组织及裂纹演变行为

利用XRD、SEM、TEM、EDS等测试方法对Mg-8.07Al-0.53Zn-1.36Nd镁合金微观组织结构进行表征与分析,并采用原位拉伸试验研究了合金显微组织对裂纹萌生及扩展行为的影响。结果表明:试验合金组织中主要包括α-Mg基体,β-Mg_(17)Al_(12),α+β共晶相,Al_(11)Nd_3针状相和Al_2Nd颗粒相。Al_2Nd存在孪晶结构,孪晶面为{11 1},Al_(11)Nd_3存在连续的凹凸界面结构。合金室温原位拉伸试验结果表明:裂纹主要在粗大的β-Mg_(17)Al_(12)相内部萌生,裂纹扩展方式包括沿晶扩展和穿晶扩展。裂纹穿晶扩展主要归因于沿晶界分布的Al_(11)Nd_3、Al_2Nd相与周围组织界面结合能力较强,Al_(11)Nd_3凹凸界面对基体与共晶组织的啮合作用显著。     

EFFECT OF β-FLECK ON MECHANICAL PROPERTIES OF Ti-10V-2Fe-3Al ALLOY

研究了β斑点对Ti-10V-2Fe-3Al合金的室温拉伸性能和低周疲劳性能的影响,发现在β斑点区内,裂纹沿原始β晶界扩展形成沿晶脆性断裂,在交变应力作用下,β斑点往往成为疲劳源点,在高应变下,β斑区内的原始β晶界和晶界α处萌生裂纹并导致早期断裂。     

β斑点对Ti—10V—2Fe—3Al合金性能的影响

研究了β斑点对Ti-10V-2Fe-3Al合金的室温拉伸性能和低周疲劳性能的影响,发现在β斑点区内,裂纹沿原始β晶界扩展形成沿晶脆性断裂,在交变应力作用下,β斑点往往成为疲劳源点,在高应变下,β斑区内的原始β晶界和晶界α处萌生裂纹并导致早期断裂。     

大变形热轧Ti-6Al-4V合金棒材力学性能的研究

通过大变形热轧试验,获得了一种新的Ti-6Al-4V合金细晶棒材.与粗品棒材一起分别测试了其拉伸性能和冲击韧度,观察了断口形貌.结果表明:细晶组织Ti-6Al-4V合金棒材具有较高的塑性和冲击韧度,拉伸强度变化不大.断口观察发现其拉伸断口平坦,塑坑较浅,但伸长率与粗晶粒棒材相比反而提高,且属于韧性断裂.     

工艺参数设置和厚度对电子束熔融加工Ti-6Al-4V合金微观结构的影响

研究了试件尺寸和工艺参数(电子束强度,扫描速度,焦点偏移量和扫描长度)对电子束熔融(EBM)加工Ti-6Al-4V合金微观结构的影响。结果表明,可以观察到EBM加工的Ti-6Al-4V合金的微观结构由原始β相的柱状晶粒组成。在柱状晶粒内部观察到典型的(α+β)结构,即魏氏体α片和在细小的α晶粒的界面上形成的杆状β相。还发现沿原始β柱状晶粒的晶界形成的α层晶界。随着试件厚度、电子束能量密度和扫描长度的增加,先前的β柱状晶粒的直径增大,并且生长的方向与加工方向一致。同时,柱状晶粒直径随着试件高度的增加而减小。随着试件厚度和电子束能量密度的增加,α片会变得更粗大。     

工艺参数设置和厚度对电子束熔融加工Ti-6Al-4V合金微观结构的影响（英文）

研究了试件尺寸和工艺参数(电子束强度,扫描速度,焦点偏移量和扫描长度)对电子束熔融(EBM)加工Ti-6Al-4V合金微观结构的影响。结果表明,可以观察到EBM加工的Ti-6Al-4V合金的微观结构由原始β相的柱状晶粒组成。在柱状晶粒内部观察到典型的(α+β)结构,即魏氏体α片和在细小的α晶粒的界面上形成的杆状β相。还发现沿原始β柱状晶粒的晶界形成的α层晶界。随着试件厚度、电子束能量密度和扫描长度的增加,先前的β柱状晶粒的直径增大,并且生长的方向与加工方向一致。同时,柱状晶粒直径随着试件高度的增加而减小。随着试件厚度和电子束能量密度的增加,α片会变得更粗大。     

Effect of Trace Boron Addition on Microstructure and Properties of as-Cast Ti-6Al-4V Alloy

通过添加0.1wt%B对铸态Ti-6Al-4V合金组织和性能影响研究表明:微量B添加在合金中形成Ti B相,Ti B相位于原始β晶界处。微量的B添加使得原始β晶粒和α集束都得到了明显的细化,获得的铸态组织更加均匀。微量的B添加同时提高了铸态合金的强度和塑性,并改变了合金的拉伸断裂机制。由微空洞在α集束交界处聚集、长大及裂纹形成扩展改变为Ti B相与基体合金的变形不协调造成微裂纹的形成和扩展。     

Ti-6Al-4V合金中的绝热剪切断裂

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置在3900s-1应变率条件下对Ti-6Al-4V合金进行动态加载,获得完全分离的断裂试样。使用扫描电子显微镜对试样的断裂特征进行观察。结果表明：试样中出现绝热剪切断裂,试样断口上交替分布着两个不同特征的典型区域（韧窝区及平滑区）。其中,韧窝区由微孔洞形核、长大并最终连接形成,表现出韧性断裂特征。在平滑区观察到超细晶粒（UFGs）,且晶粒间可观察到微裂纹,说明平滑区由微裂纹沿晶界扩展形成,表现出脆性断裂特征。由此可知,Ti-6Al-4V合金在动态加载过程中沿绝热剪切带发生的断裂失效过程不均匀,韧性及脆性两种断裂模式的共同作用导致该合金样品的最终断裂。     

Ti-6Al-4V合金超塑性变形时的组织演化

利用光学显微镜和扫描电镜对超塑性拉伸后的细晶Ti-6Al-4V合金分别进行了断口形貌分析和组织演化规律研究。结果表明:细晶Ti-6Al-4V合金室温拉伸时,断裂方式为准解理断裂;超塑性拉伸时,试样断裂的主要形式是韧窝-空洞聚集型断裂。在初始应变速率不变的条件下,随着拉伸温度的升高,α相晶粒尺寸增大,β相数量增多,空洞数量减少,且在840℃至930℃拉伸时,α相晶粒仍保持等轴状态,但在较高温度(960℃)拉伸时,α相晶粒被拉长,部分区域出现网篮组织。在拉伸温度不变时,随着初始应变速率的降低,α相晶粒尺寸增大,β相增多,空洞数量减少。高温(960℃以上)拉伸时,β相颗粒具有良好的塑性和较低的硬度,丰富的β相有利于晶界协调滑动,并对空洞的产生具有抑制作用。