不同组织TA15钛合金等温拉伸微裂纹扩展规律的有限元建模研究

钛合金高温变形过程往往伴随微裂纹的产生与扩展,且其与微观组织形态密切相关,显著影响了钛合金的成形质量和成形极限。为此,利用金相照片建立了基于TA15钛合金真实组织的二维多晶体微观有限元模型,采用微裂纹扩展时间,定量研究了不同组织形态的TA15钛合金等温拉伸过程中的沿晶微裂纹形成与扩展规律。结果表明:微裂纹优先形成于三角或四角晶界处,更容易沿α-β相界扩展;等轴组织随着α相体积分数升高,微裂纹更易产生和扩展;网篮组织与魏氏组织中微裂纹易于沿与加载轴垂直取向的片层α相界面扩展,魏氏组织晶界α相为微裂纹扩展提供了路径;三态组织中微裂纹易于沿片层α相界面扩展,但是等轴α相与片层α相的交织使界面形貌复杂,阻碍微裂纹扩展。相同加载条件下,微裂纹扩展的难易顺序为:三态组织、网篮组织、魏氏组织、等轴组织。     

α+β区退火对激光沉积TA15钛合金组织及硬度的影响

以TA15球形粉末为原料,TA15钛合金锻件为基材,利用激光沉积制造方法制备TA15钛合金沉积厚壁件。通过光学显微镜、扫描电镜及显微硬度计研究了α+β相区退火处理过程中激光沉积TA15钛合金的显微组织及硬度。结果表明:激光沉积TA15钛合金沉积态宏观组织为贯穿多个沉积层的柱状晶,微观组织为网篮组织。随退火温度升高,α相的生长过程为先生长然后互相截断,并在退火处理过程中局部阶段性地重复这一过程。随着退火温度的升高,α相的长度呈现出波浪变化,宽度呈现出上升趋势,长宽比呈现出下降趋势,且α相的含量先升高后降低。较大长宽比的α片层组织会对滑移产生阻碍,导致显微硬度值增大;较小长宽比的α片层组织会使显微硬度值降低。     

TA15钛合金双态组织特征对超声波探伤的影响北大核心CSCD

针对TA15钛合金在服役过程中由于显微组织缺陷问题而引起灾难性事故的现象,采用光学显微镜(OM)和超声波探伤设备对TA15钛合金锻件在不同热加工条件下的双态组织特征与超声波探伤杂波水平之间的关系进行研究。结果表明:TA15钛合金超声波探伤杂波水平受初生α_(p)相含量、形貌和片层α相片层厚度的双重影响,随着初生α_(p)相的增加及形貌均匀分布,超声波探伤杂波水平降低。TA15钛合金显微组织中出现粗大且排列整齐的片层α相,导致探伤杂波水平较高,而杂乱细小的片层α相导致探伤杂波水平降低。当TA15钛合金锻件的显微组织中出现条带状α相组织时,该部位超声波探伤杂波水平明显升高,热加工过程中应避免该组织形成。     

激光沉积TA15钛合金退火处理工艺及网篮组织变形机制

以TA15钛合金球形粉末为原料,采用激光沉积制造技术制备TA15钛合金厚壁件。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)等方法研究了α+β两相区退火处理对TA15钛合金室温拉伸性能和显微组织的影响,并对网篮组织在拉伸过程中的变形机制进行讨论。结果表明:经α+β两相区不同温度退火后,显微组织为网篮组织或近网篮组织,退火温度对α相的形貌尺寸具有明显影响;退火后力学性能仍表现出方向上的各向异性:沉积方向上强度较低、塑性较好,而垂直沉积方向上强度高、塑性较差;粗大的层带区组织滑移变形具有"开路"作用,而柱状晶晶界对α相的滑移产生一种"固定"作用;显微硬度值随退火温度升高变化不大,显微硬度值受α相含量影响;网篮组织中的α片层组织在应力的作用下由原来近似正交方向逐渐向近似平行于应力方向变形,α片层组织的交错排列导致滑移变形时互相产生阻力;α+β两相区退火处理后的2种方向上断口形貌相似,断裂方式相同,均为韧性断裂。     

激光沉积TA15钛合金退火处理工艺及网篮组织变形机制研究

以TA15钛合金球形粉末为原料,采用激光沉积制造技术制备TA15钛合金厚壁件。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)等方法研究了α+β两相区退火处理对TA15钛合金室温拉伸性能和显微组织的影响,并对网篮组织在拉伸过程中的变形机制进行讨论。结果表明：经α+β两相区不同温度退火后,显微组织为网篮组织或近网篮组织,退火温度对α相的形貌尺寸具有明显影响；退火后力学性能仍表现出方向上的各向异性：沉积方向上强度较低,塑性较好,而垂直沉积方向上强度高,塑性较差；粗大的层间区组织滑移变形具有“开路”作用,而柱状晶晶界对α相的滑移产生一种“固定”作用；显微硬度值随退火温度升高变化不大,显微硬度值受α相含量影响；网篮组织中的α片层组织在应力的作用下由原来近似正交方向逐渐向近似平行于应力方向变形,α片层组织的交错排列导致滑移变形时互相产生阻力；α+β两相区退火处理后的两种方向上断口形貌相似,断裂方式相同,均为韧性断裂。     

热处理工艺对TA15钛合金棒材组织和性能的影响

研究了普通退火、β退火的单重热处理制度和强韧化的双重热处理制度对TA15钛合金棒材组织和性能的影响规律。结果表明,在普通退火温度范围内,合金组织形貌变化不大,均为等轴组织,合金的强度和冲击韧性随退火温度的升高而增加,塑性基本保持不变;β退火得到粗大的魏氏体组织,综合力学性能最差;在双重热处理过程中,第二重热处理温度主要影响片层α相的厚度,随着第二重热处理温度的升高,片层α相厚度增加,合金的强度降低,冲击韧性增加。当热处理制度为975℃×1 h/WQ+850℃×2h/AC时,合金组织由约24%的初生等轴α相、55%左右的网篮α相和β转变组织组成,此时合金具有良好的强韧性匹配。     

热处理对TA12A钛合金微观组织和力学性能的影响

通过改变热处理温度和冷却方式,研究了热处理对TA12A钛合金棒材微观组织和力学性能的影响。研究表明:随着TA12A钛合金热处理温度的升高,初生α相含量减少,次生α相含量和尺寸逐渐增加,但初生α相和次生α相的总含量变化不大。炉冷会抑制次生α相的析出。片层α相会产生较多的相界面,从而产生强化作用,同时也会阻碍裂纹的扩展。当热处理温度为1 000℃、冷却方式为空冷时,TA12A钛合金棒材组织中片层α相较多,初生α晶粒和片层α束域尺寸较小,其综合性能最佳。     

热处理制度对TA15合金组织与性能的影响

研究了不同热处理制度对TA15钛合金显微组织和性能的影响。结果表明:两相区热处理时,获得了双态和等轴组织;β相区热处理,获得了魏氏组织,冷却速率决定了α片层和α集束的尺寸。魏氏组织的拉伸强度水平与双态/轴组织相当,断裂韧度较高,疲劳裂纹扩展速率较低,塑性有所降低。β相区空冷所得魏氏组织,具有中等强度水平,但断裂韧度较高,抗疲劳裂纹扩展性能最好。     

热变形参数对TA15合金片层组织球化过程的影响

通过轧制试验和OM、TEM观察研究了不同热变形参数对TA15合金片层组织球化过程的影响。结果表明:魏氏组织中α片层与β相薄层之间的变形不一致,随变形增加,能量聚集达到α相的晶界迁移和β相在片层α相内镶嵌所需变形激活能,即发生片层球化。变形温度为920℃时,α片内的位错在高温下更易发生动态回复,不利于片层α相的球化;变形温度为880℃时,TA15合金的显微组织球化率明显升高。     

预变形TA15合金脉冲电处理球化行为研究

开展了预变形片层组织TA15合金电脉冲处理实验，对片层组织形貌及位错、界面结构进行表征，深入分析预变形片层组织TA15合金在脉冲电流作用下的微观组织演变机理。结果表明，电脉冲促进TA15合金中的原子扩散和缺陷反应，从而使片层组织发生电致静态球化；且随着电流密度增大和通电时间的延长，片层组织球化率增大，平均晶粒尺寸先增大后减小。α相球化前期由末端迁移机制控制，后期受晶界分离和Ostwald熟化控制，而β相球化的主要机制是晶界分离。电脉冲处理后球化α相的新生界面强化导致材料硬度最大提升26.41%。     

TMCP态厚船板钢正火工艺研究

通过金相分析和力学性能测试研究了60mm厚E36级船板钢经910℃分别保温1h、2h、4h、8h正火后的心部组织和性能。试验结果表明,控制轧制和控制冷却(TMCP)态钢的组织为铁素体、珠光体和少量魏氏组织,晶粒较粗大,经正火后晶粒细小,并且消除了魏氏组织。随着正火保温时间的延长,珠光体条带被打散,晶粒长大不明显。但910℃×8h正火的钢-40℃冲击韧度最好,主要是消除了心部组织中的粒状贝氏体条带所致。本试验钢的最佳正火保温时间为8h。     

片状TA15钛合金在热变形过程中的动态球化动力学

通过等温热压缩实验定量地研究片层TA15钛合金在860～940℃,应变速率0.01～10s？1范围内的动态球化动力学。研究发现TA15钛合金的动态球化动力学和动力学速率对热变形参数很敏感。动态球化率随应变的增加、温度的升高和应变速率的降低而增大,且应变的变化规律遵循动力学Avrami模型曲线。通过模型预测球化开始应变和完全球化所需要的应变分别为0.34～0.59和3.40～6.80。动态球化动力学速率随着应变的增加呈现先增大后减小的趋势。球化动力学速率的峰值对应的球化率为20%～33%,且随着温度的升高和应变速率的降低而增大。     

Microstructure evolution of TA15 titanium alloy subjected to equal channel angular pressing and subsequent annealing at various temperatures

TA15 titanium alloy was successfully processed for the first time by equal channel angular pressing (ECAP) in the temperature range of 900-1000 °C and annealed in a wide temperature interval from 650 to 800 °C. The investigation was achieved by light microscope (LM), scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) on the microstructure evolution of TA15 alloy subjected to ECAP and subsequent annealing after ECAP. In the present work, equal channel angular pressing (ECAP) was taken as the effective method to acquire severe plastic deformation (SPD). The studies we have performed show that grains have been obviously refined and well globularized after ECAP. When TA15 alloy was pressed at the temperatures of α + β phase region equiaxed microstructure was created. There was an increase in the equilibrium grain size with increasing pressing temperature, while a decrease in the volume fraction of equiaxed α phase. TEM microstructural images illustrate that an amount of deformation twins emerged while pressing TA15 below α-β transformation temperature (T_β), which led to the continued plastic deformation through the restarting of many slip bands. Severe coarsening took place in β grains during ECAP at the temperature above T_β. A larger number of well globularized and more homogeneous equiaxed α phase of TA15 alloy annealed after ECAP has been attained. Furthermore, with annealing at the optimum temperature, grains have not grown significantly.     

Microstructure and mechanical properties of TA15/TC11 graded structural material by wire arc additive manufacturing process

A graded structural material (GSM) with a material transition from TA15 to TC11 was fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM) method. The grain morphology, chemical composition, microstructure and mechanical properties of the as-deposited GSM were all characterized to investigate their variations along the deposition direction. The results indicate that from TA15 to TC11, the grain size decreases and a transition from columnar grains to equiaxed grains occurs. The content of alloy element alters greatly within a short distance, and the width of the mutation zone is 800 μm. Both TA15 and TC11 regions exhibit basketweave microstructure with α-phase and β-phase. However, during the transition from TA15 to TC11, the α-lath becomes fine, which leads to an increase in microhardness. The tensile test shows that the bonding strength at the interface is higher than the longitudinal strength of TA15, and the lateral elongation at the interface is higher than that of TA15 and TC11.     

分步拉伸变形对TA15合金超塑性的影响

采用分步变形法对TA15合金在10 kN高温电子拉伸试验机上进行了超塑性拉伸试验,研究了变形温度和预变形量对该合金超塑性性能及微观组织演变。结果表明:变形温度为850~950℃和预变形量为100%~200%时,TA15合金呈现出良好的超塑性;变形温度为900℃和预变形量为150%时,该合金的超塑性能最好,最大延伸率为1456%;变形温度为950℃时,该合金的超塑性能降低,延伸率仅为188%。TA15合金的微观组织状态显示:该合金在拉伸变形过程中微观组织保持等轴状,但是随着变形温度的升高,晶粒开始长大,变形温度越高,晶粒长大越显著。     

热处理对激光立体成形TA15合金组织及力学性能的影响

研究了激光立体成形TA15钛合金沉积态、退火态、固溶时效态以及双固溶时效态4种状态的组织及力学性能。结果表明:沉积态组织为大量不同取向相互交叉的发达魏氏α+β板条,其拉伸性能表现出一定的各向异性。经退火后,显微组织没有明显变化,塑性在强度降低不多的情况下得到了提高。退火态试样具有良好的综合拉伸性能,达到了锻件退火态的拉伸性能标准。经固溶时效处理后可得到粗化的α初+α’组织,成形件的强度显著提高。经双固溶时效后可得到粗化α初+细化α次+α’组织,强度稍有降低。与室温相比,4种状态均呈现出高温强度降低而塑性提高的特点。对于不同的热处理状态,成形试样的洛氏硬度HRC处于30~45范围变化,不同热处理态的硬度变化与拉伸性能中的强度变化趋势一致。     

Microstructure evolution in the local loading forming of TA15 titanium alloy under non-isothermal condition

In this paper, the microstructure evolution and processing–microstructure relationship in the non-isothermal local loading forming of TA15 titanium alloy were studied through an analog experiment. Some new microstructural mechanisms are found, which are different from those under isothermal local loading forming. In the non-isothermal local loading forming, the tri-modal microstructure consisted of equiaxed primary α, lamellar α and β transformed matrix is achieved. The lamellar α, not produced under isothermal condition, is generated by β → α transformation due to the decrease of component temperature. With the same processing parameters, the volume fraction and grain size of primary α are both greater than those processed isothermally. The content of lamellar α decreases with heating temperature decreasing and little lamellar α can be found when the heating temperature drops to 930 °C. Under small deformation degree, the lamellar α distributes randomly in each feature region. As deformation increases, the lamellar α in transitional region and second-loading region present a preferred orientation perpendicular to the compression direction. The primary α content almost decreases linearly with heating temperature, which is different from the regular that under isothermal condition. Non-isothermal local loading forming with a higher heating temperature (near-β region) offers a cost-efficient way for the manufacture of TA15 titanium alloy large-scale integral components.     

强韧化热处理对TA15钛合金组织和性能的影响

采用光学显微镜,扫描电镜和电子拉伸机等研究了TA15合金经两阶段强韧化退火热处理后的显微组织和性能。结果表明:采取两阶段的热处理工艺后,TA15合金的组织由约20%的初生等轴α,55%的片状α和β转变基体的组织组成;合金具有良好的塑性及较好的室温和高温强度,在975℃×1 h,WQ+850℃×2 h,AC的制度下,TA15合金的室温抗拉强度为1005 MPa,屈服强度为914 MPa,伸长率、冲击韧性分别为13%和72.2 J/cm^2。合金的冲击韧性I与次生片层α厚度t具有较好的线性关系I=26.504t+44.915,冲击断口形貌可以观察到大量的韧窝,表明合金的断裂机制以韧性断裂为主。随着第二重退火温度的升高,次生片层α厚度增加,韧窝逐渐变大,韧性增加。     

退火温度对TA31钛合金大口径无缝管组织与性能的影响

利用真空自耗电弧炉+电子束冷床炉熔铸了Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo(TA31)钛合金圆锭,通过铸坯直接斜轧穿孔制备出ø178 mm×12 mm大口径无缝管,研究了不同退火温度(800、850、900、950 ℃)对TA31钛合金组织演变和力学性能的影响。结果表明:轧制态无缝管为变形的魏氏组织,主要由片层状α相集束和原始β相晶界组成;退火处理后,片层状初生α相减少,原始β相晶界消失,组织逐渐均匀化,但当退火温度超过900 ℃后,α相集束粗化并转变为网篮组织;随退火温度的升高,抗拉强度与屈服强度先略微降低后缓慢增大,而伸长率呈先增大后减小趋势,断口形貌由韧性+准解理混合型断裂逐渐变为韧性断裂再转变为韧性+准解理混合型断裂。综合分析认为,短流程制备的TA31钛合金大口径无缝管适宜退火温度为900 ℃左右,此时抗拉强度、屈服强度和伸长率平均值分别为873 MPa、785 MPa和12.8%。     

TA15钛合金激光表面重熔快速凝固晶粒异常粗化

研究了热轧退火近aTA15钛合金激光表面重熔快速凝固组织及激光扫描速度对快速凝固组织的影响.结果发现:无论激光扫描速度如何加快,采用激光表面重熔快速凝固技术都不能细化TA15钛合金重熔区晶粒组织,TA15钛合金激光表面重熔区快速凝固β晶粒组织"异常"粗化,重熔区中β晶粒尺度分别是原始基材中a晶粒的10～20倍和β晶粒的32～62倍.分析表明,TA15钛合金激光表面重熔熔池的快速凝固是一个以熔池底部热影响区项部与熔体接触的未熔母材β晶粒为衬底的直接外延生长(无形核)过程,因此热影响区顶部与熔体接触的未熔母材β晶粒大小决定了重熔区快速凝固β晶粒的大小.激光加热表面重熔熔池形成过程中,熔池底部与熔体接触的未熔母材β晶粒在短时超高温作用下发生了严重长大,是导致钛合金激光表面重熔区β晶粒组织"异常"粗化的直接原因.