某特殊需求的大规格TC4钛合金棒材制备工艺研究

为给某特殊锻件提供满足缺口应力断裂性能的大规格TC4钛合金棒材,将3次真空自耗熔炼得到的5 t重的Ф720 mm TC4钛合金铸锭,分别采用β相区开坯+两相区直拔锻造和β相区开坯+两相区锻造(镦拔+直拔)两种工艺,制成Ф350 mm TC4钛合金棒材。第二种工艺制备的锻棒组织的均匀性及等轴化程度、超声波探伤水平均优于第一种工艺制备的棒材;普通退火处理后棒材的室温塑性和缺口应力断裂性能也较好;各项技术指标均符合标准要求。     

TC4ELI钛合金的电子束冷床熔炼技术

采用EBCHR-3150KW大功率电子束冷床熔炼炉，研究了以“TA1纯钛残料+海绵钛+中间合金”通过一次EB熔炼TC4ELI钛合金扁锭的生产工艺，分析了熔炼工艺参数对铸锭化学成分的影响，并对工艺可行性进行了分析，研究了不同热处理制度对板材组织性能的影响。结果表明：TC4ELI钛合金EB熔炼过程中Al元素的实际挥发率达到15%～18%,通过控制原材料制备使其达到宏观均匀、控制成分配比，制定合理的工艺要求，完全可以生产出符合国标GB/T 3620.1-2016要求的TC4ELI钛合金EB扁锭。     

Fe元素对TC4ELI合金力学性能的影响

为弥补O含量受限,TC4ELI合金强度的不足,研究了Fe元素含量在0. 08%～0. 22%范围内对TC4ELI合金力学性能的影响。结果表明:随着Fe含量的增加,TC4ELI合金棒材保持了良好的综合力学性能。其中强度的提高最为突出,Fe含量处于0. 16%～0. 22%范围内时,抗拉强度达到930 MPa,屈服强度达到860 MPa,满足了普通TC4合金强度的标准要求。Fe作为置换型元素加入钛合金中,形成结构紧密的TiFe相,形成的Ti-Fe键代替了Ti-Ti键,具备更高的键能,提高了合金的强度。Fe元素的增加,有助于合金中β相含量的增加,降低了TC4ELI合金的弹性模量。     

锻造工艺和时效处理对TC10钛合金组织和性能的影响

采用工艺A和工艺B 2种不同锻造工艺获得Ф130 mm的TC10钛合金棒材,研究了锻造工艺对棒材组织和力学性能的影响。同时研究了时效温度对TC10钛合金棒材组织和性能的影响规律。研究结果表明,工艺A获得的棒材组织均匀性好,且棒材性能的各向异性小;工艺B获得的棒材组织均匀性差,且棒材性能的各向异性大。TC10钛合金棒材的抗拉强度随时效温度升高先降低再升高,而塑性则随时效温度升高先升高再降低,棒材经875℃×2 h/WC+550℃×6 h/AC热处理可以获得良好的综合力学性能。     

深潜器载人舱用TC4 ELI钛合金半球壳的研制

通过计算机模拟技术和借鉴钢材半球壳成形工艺设计了深潜器载人舱用钛合金半球壳的整体冲压成形模具及成形工艺,并以钢材、纯钛的半球壳整体冲压预成形试验来优化工艺参数,最终成功冲压出深潜器载人舱用TC4ELI钛合金半球壳。经检测,整体冲压成形的TC4 ELI钛合金半球壳尺寸和力学性能均满足深潜器载人舱用钛合金球壳设计指标,可用于制造4 500 m深潜器载人舱。     

TC4ELI钛合金低周疲劳性能研究

研究了具有网篮组织的TC4ELI钛合金材料在不同应变幅值下的低周疲劳性能,给出了TC4ELI钛合金在低周疲劳下的循环应力-应变曲线,拟合出循环应变硬化指数、循环强度系数以及应变-寿命特征系数,并通过光学显微镜进行金相分析,通过扫描电镜进行断口形貌分析。结果表明,TC4ELI钛合金呈现出循环软化的特性;距离疲劳断口1.5 mm处的组织形态与断口处无明显变化,疲劳裂纹以穿晶方式扩展直至断裂;随着应变幅值增大,韧窝变大变深,韧性断裂特征变得更加显著。     

热处理对Ti-6Al-4V棒材固溶时效性能的影响

概述了对飞机转动件叶片用Ti-6Al-4V(TC4)钛合金棒材通过采用不同固溶时效热处理制度的实验,以研究TC4用钛合金棒材不同热处理制度与组织、固溶时效性能之间的关系,通过对比试验得出工业化生产满足宇航结构件和转动部件用TC4棒材制定合理的固溶时效热处理制度。     

石油领域耐蚀钛合金电化学特性与选材研究

针对石油工业领域钛合金油井管选材困难的问题，本文以当前市场内较常规的四类钛及钛合金TA2(工业纯钛)、TA10(Ti-0.3Mo-0.8Ni)、TC4(Ti-6Al-4V)、TC4ELI(Ti-6Al-4VELI)为研究对象，利用腐蚀电化学原理分别在常温与加热状态下对上述材料进行耐蚀性能评估，腐蚀环境模拟油田井下含CO₂-H₂S-Cl^--H₂O工况。研究结果表明：常温状态下，耐蚀性能TA2最优，TC4次优，TC4ELI再次优，TA10则相对较弱；当腐蚀环境温度升高时，材料耐蚀参数较常温状态均有所降低，同时其强弱顺序与常温状态也有所不同，依据各参数可确定耐蚀能力由强到弱依次为TC4ELI、TA2、TC4、TA10。试验结果可为油井管选材提供相应理论支持。     

连续轧制过程中TC4钛合金的组织均匀性分析

采用连续轧制的变形方式制备了不同规格TC4钛合金棒材,主要分析了不同加热温度下材料显微组织的均匀性。结果表明,930和970℃两种温度轧制的TC4钛合金□45mm材料内外组织差异大;随着棒材规格减小,棒材组织更均匀、更细小;两种轧制温度的棒材性能均符合GB 13810标准要求,最小规格Ф11.5 mm棒材强度与塑性都优于其他规格,综合性能优良。     

TC4钛合金热力学行为及棒材轧制工艺研究

在Gleeble-1500热模拟机上进行了TC4钛合金压缩试验,分析了不同温度、不同应变速率下TC4钛合金热力学行为,确定了合金棒材最佳开轧温度为950℃,最佳应变速度为1s-1。随后在自行研制的八机架Y型轧机上进行连轧试验,分别得到准12、准6 mm棒材。结果表明,获得的产品组织均匀致密,晶粒细小,产品力学性能满足技术要求。     

热加工工艺对叶片用TC4钛合金棒材组织与性能的影响

为优化发动机叶片用TC4钛合金棒材热加工工艺，对比研究了相同条件下精锻和轧制工艺对棒材组织与性能的影响，以及精锻温度和精锻变形量对棒材组织与性能的影响。结果表明：与精锻相比，轧制变形时间短、温升明显，导致轧制棒材初生α相含量低，室温强度和高温强度明显低于精锻棒材，但组织更加均匀，超声探伤杂波水平低。此外，随着精锻温度的升高，棒材初生α相含量减少，室温强度和高温强度下降，但超声探伤杂波水平降低；随着精锻变形量的增大，棒材变形不均匀性加剧，室温强度和高温强度逐渐提高，但超声探伤杂波水平增大。精锻温度为940℃时，TC4钛合金棒材的组织与性能匹配较好。     

TC4钛合金退火工艺研究

为了降低TC4钛合金的硬度并获得良好的加工性能,对其进行了普通退火和等温退火实验,并讨论了不同热处理工艺对TC4钛合金的显微组织和力学性能的影响。实验结果表明:两种退火工艺的影响差别不大,普通退火更适合应用于实际。     

低温固溶及时效处理对TC4合金棒材组织及力学性能的影响

研究了TC4钛合金棒材经650和700℃固溶处理及时效处理后的组织和性能变化。结果表明:对热加工态的TC4钛合金进行650℃的固溶热处理,材料的显微组织和拉伸性能变化不大。经过700℃固溶热处理,TC4钛合金棒材强度明显降低,屈服强度相对于热加工态降低77 MPa,且屈/强比明显低于普通退火。时效热处理后,合金的强度显著提高,400℃时效后抗拉强度达到1020 MPa,相对于热加工态提高53 MPa。显微组织分析表明,热加工后的TC4棒材显微组织由初生α相、次生α相以及残余β相组成。热处理过程中,残余β相中针状α相的溶解与重新析出是影响合金拉伸性能变化的主要原因。     

镦粗变形工艺对TC18组织和性能的影响

研究了不同镦粗变形工艺对TC18钛合金棒材的显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,TC18钛合金棒材首先在β单相区加热并施加大变形量锻造,而后在(α+β)两相区加热并以适当变形量锻造,可获得强度、塑性和韧性等综合性能的良好匹配。     

TC4 ELI钛合金包申格效应试验研究

为研究TC4 ELI钛合金常温下循环加载的包申格效应,进行了单轴拉伸-压缩的循环加载试验,获得了TC4 ELI循环加载的应力应变曲线,并通过计算获得了表征钛合金包申格效应的参数,包括包申格应变β、包申格应力参数和包申格能量参数。试验结果表明包申格应变及包申格应力参数随预应变量增大而近似线性增加,包申格能量参数变化不大且反向屈服应力随预应变量增加而大幅降低。     

固溶时效处理对Ti-6Al-4V ELI钛合金准静态和动态力学性能的影响

采用万能力学试验机及霍普金森压杆试验研究了固溶和时效处理对Ti-6Al-4V ELI钛合金准静态拉伸性能和动态压缩性能的影响。结果表明,Ti-6Al-4V ELI钛合金经固溶时效处理后(固溶温度941 ℃),其屈服强度可达1097 MPa以上,抗拉强度可达1167 MPa以上。相比热处理前的Ti-6Al-4V ELI钛合金,强度显著提升,而且塑性指标也维持在较高水平。同时,不同应变速率下Ti-6Al-4V ELI钛合金的动态压缩性能提升明显,动态压缩强度和应变速率的对数呈线性关系,且随着应变速率的增加而增大。     

超低间隙TC4钛合金形变热处理工艺

实验用TC4ELI铸锭,经过开坯、锻造、轧制为18 mm的棒材,轧制变形量为91.6%;轧制后进行淬火,淬火温度为830℃,最后对淬火后材料进行温度为650℃、750℃,时间为1 h、2 h的热处理实验。结果表明:淬火后TC4ELI钛合金的抗拉强度最高,达到1064 MPa,此时材料的屈强比只有0.79。XRD结果表明,淬火后β相发生了马氏体转变,提高了材料的强度;在拉伸过程中,亚稳定的转变组织由于应变引起的转变,使材料均匀伸长率提高,增大了抗拉强度与屈服强度的比值。采用轧制(变形量为91.6%)+淬火(830℃)+650℃×1 h的形变热处理工艺后材料的抗拉强度和屈强比分别为1017 MPa和0.94,伸长率为17.5%,综合性能优异。     

TC4 ELI钛合金的热变形行为及本构关系研究

利用Gleeble-3500热模拟试验机对TC4 ELI钛合金在两相区温度为750~950℃、应变速率为0.001~70s-1条件下进行等温恒应变速率压缩试验,分析了该合金的热变形行为,并采用Arrhenius方程和BP人工神经网络模型建立了该合金的本构关系模型。结果表明,应变速率与变形温度对TC4 ELI钛合金流变应力影响显著,流变应力随变形温度升高和应变速率降低而降低;在两相区热变形时,原始组织α相发生了不同程度的球化/动态再结晶,并且低应变速率会促进球化/动态再结晶的发生;采用Arrhenius方程和BP人工神经网络模型建立的本构方程平均误差分别为17.51%和1.36%,BP人工神经网络模型具有更高的精度,更适合用于TC4 ELI钛合金的流动应力预测。     

显微组织对TC16钛合金棒丝材冷镦成形性能的影响

TC16钛合金棒材在冷镦成形方面具有较大的加工和应用优势,棒材组织形貌对最终紧固件冷镦成形性有直接影响。采用不同加工方式、不同变形温度和热处理制度获得了不同组织状态的TC16钛合金小规格棒丝材,通过紧固件冷镦成形实验,研究了显微组织对冷镦成形性能的影响。结果表明,TC16钛合金丝棒材冷镦过程中的组织变形主要是纵向金属扁平化和破碎挤压的过程;纵向为等轴组织或者网篮组织的TC16钛合金棒丝材,在冷镦过程中纵向变形均匀,冷镦过程顺利;纵向为拉长组织的TC16钛合金棒丝材在冷镦过程中易产生裂纹。     

基于“多线段三角孔型系统”轧制TC4合金棒材变形特征研究

随着对高强度,高延展性钛及钛合金棒材的迅速需求,开发有色金属棒材多辊热连轧技术是非常必要的。本文作者研究在Y型三辊轧机上采用“多线段三角-圆”孔型系统生产钛合金棒材。采用ANSYS有限元软件模拟了TC4棒材在连轧过程中的变形特征,稳定性及温度分布;并在Y型连轧机上进行了试验验证。结果表明：带有凹面状的“多线段三角”孔型具有良好的对中性,能有效阻止轧件扭转或偏离轧制中心线,提高棒材轧制稳定性;此外,相对于“平三角-圆”孔型,采用这种孔型轧制棒材,显著降低了TC4合金棒材横截面的温度梯度,从而减少产品表面裂纹,提高表面质量。