热处理对TC4钛合金厚板组织和性能的影响

采用正交试验方法,研究了不同热处理制度对TC4钛合金厚板显微组织和力学性能的影响。结果表明,固溶温度对合金显微组织、室温拉伸强度、塑性和断裂韧性影响很大。相变点下固溶时合金组织为双态组织,相变点上固溶时合金组织为魏氏组织;当固溶温度从975℃相变点下增加到1045℃相变点上时合金的强度变化不大,合金的塑性大幅下降,而合金的断裂韧性逐渐升高;TC4钛合金厚板在975℃/10 min+670℃/1 h热处理,可获得最佳强度-塑性匹配,在995℃固溶处理,670~760℃时效处理可获得最佳强度-韧性匹配。     

大规格TC4钛合金厚板研制

采用经三次真空自耗电弧熔炼、多向锻造得到的TC4钛合金板坯为原料,以热模拟试验所获得的热加工图为参考,利用西部钛业有限责任公司2 800 mm四辊热轧机成功制备出了宽度为2 300 mm,厚度达到40~70 mm的大规格TC4钛合金厚板,研究了热轧工艺对其组织和室温力学性能的影响。结果表明,轧制温度、道次变形率和应变速率是制备大规格TC4钛合金厚板的关键工艺因素。所制备的TC4钛合金厚板的显微组织为双态组织,由平均晶粒尺寸为25μm的等轴初生α相、拉长的次生α相及晶间β相组成,其室温抗拉强度为925~960 MPa,屈服强度为870~910 MPa,延伸率为12.0%~14.5%。     

TC4钛合金的力学性能及热处理模拟

采用分子动力学方法建立了TC4模型,基于混合嵌入式原子法势函数计算了Ti、Al和V不同原子之间的相互作用力,通过拉伸与剪切模拟计算得到了拉伸、剪切应力-应变曲线。通过温度的设置,完成了热处理工艺中加热、保温、冷却各个阶段的模拟。在单独退火的模拟基础上进行了同时固溶与时效的模拟,比较了不同固溶温度(800、954和1020℃)和时效温度(400、538和620℃)对TC4拉伸和剪切力学性能的影响。结果表明,退火和固溶时效处理提高了TC4模型的拉伸与剪切强度,最大拉伸强度一般随着固溶温度的升高而升高;在538℃时效时,剪切强度同样随固溶温度的升高而升高,但在954℃固溶温度时,剪切强度随时效温度的升高而下降。HCP模型沿[0001]晶向的拉伸强度大于■晶向,并且拉伸强度随着拉伸速率的升高而升高。     

TC4钛合金厚板的组织与性能

对新研制的TC4半成品厚板的组织、拉伸性能、断裂韧性、疲劳性能进行了分析,指出厚板生产中的制坯工艺、轧制道次间的变形量控制及退火工艺控制是获得优良组织性能板材的关键.     

热处理工艺对TC4-DT钛合金厚板组织和性能的影响

研究了不同热处理制度对TC4-DT合金厚板显微组织和力学性能的影响。结果表明,TC4-DT合金在α+β两相区固溶处理时,随着固溶温度的降低,初生α相含量逐渐增多,强度降低,塑性增加;固溶冷却速率越慢,获得的α’马氏体越少,随后的时效强化效果越小。随着时效温度的提高及时效时间的延长,析出的次生α相数量增多,晶粒粗化,屈服强度出现先增加后下降趋势,塑性变化不大。因此,最佳热处理工艺为955℃×1 h,AC+550℃×8 h,AC,经该工艺处理的试样综合力学性能较好。     

4 GPa高压热处理对TC4钛合金组织及热物理性能的影响

利用热常数测试仪和膨胀仪测试了4 GPa压力热处理前后TC4钛合金在27~600℃温度范围的热扩散系数和热膨胀系数,并借助光学显微镜、扫描电镜和透射电镜分析了合金的显微组织,探讨了高压热处理对TC4钛合金组织及热物理性能的影响。结果表明,高压热处理能细化合金组织,增大合金的热膨胀系数;当温度低于约235℃时,高压热处理使钛合金的热扩散系数变小,而在高温下高压热处理使钛合金的热扩散系数变大。     

热压缩变形及热处理对TC4-DT钛合金组织演变影响

研究了不同热压缩变形条件及多重热处理对TC4-DT钛合金显微组织演变的影响。结果表明,随热压缩变形温度升高,组织中初生α相逐渐减少,水淬析出针状马氏体逐渐增多。在相对较低变形温度(920、950℃)下,三重热处理后合金组织分布更为均匀紧密,同时随着应变速率提高,析出的针状α相更细小。此外,还发现第一重热处理温度为920℃时形成双态组织,940℃和960℃时均形成网篮组织,但后者晶内析出针状α相交织的网篮组织更好。当第二重热处理温度低于900℃时,析出的针状α相较为细长,并且随温度升高而有所长大,但观察整体形貌发现,交织形成的网篮组织不均匀。对比发现,在第二重热处理温度为920℃时,合金组织中形成的网篮组织更为紧密,并且发现更为细小的针状α相交错其中。     

厚板TC4钛合金电子束焊接头组织演变及力学性能

电子束焊因其真空环境、能量密度大、焊缝深宽比大等优点,被广泛应用于钛合金焊接。系统研究了30 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头组织演化及其力学性能。结果表明:熔合区中部由粗大原始β柱状晶组成,内部为αGB、块状α集束和部分网篮组织构成的混合组织,靠近热影响区的熔合区由等轴原始β晶粒构成;热影响区存在较显著的组织不均匀性,随着距熔合区距离增大,β转变组织(次生α片层+残余β相)含量逐渐降低,初生α相含量逐渐升高;熔合区平均显微硬度比母材高约50 HV,接头抗拉强度达到906 MPa,接头强度系数达到96%,拉伸断裂位置位于熔合区内。     

改善低氧TC4-LC及重熔TC4钛合金性能的热处理工艺

通过显微组织分析和力学性能测试,研究了退火、固溶、固溶+时效、β热处理等热处理工艺对自产低氧TC4-LC钛合金和重熔的高氧TC4钛合金组织和性能的影响。结果表明,氧含量对合金力学性能的影响显著,相同成分下力学性能取决于微观组织;热处理只能在一定程度上提高低氧TC4-LC合金的力学性能,不能满足TC4钛合金的力学性能要求;重熔TC4钛合金经不同制度热处理后,强度大幅度提高,塑性除退火处理后有所提高,其它热处理不同程度降低,退火和固溶+时效处理后的力学性能均可以满足TC4钛合金力学性能的要求。     

热处理时间对激光选区成形TC4钛合金组织及力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜和电子万能试验机研究固溶时效工艺中时间参数对激光选区成形(SLM)TC4(Ti6Al4V)钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,退火态的SLM成形TC4钛合金的显微组织主要由连续的晶界α相(α_GB)、网篮状α相和β转变组织组成。经固溶时效处理后,试样的显微组织均呈现为网篮组织。在固溶温度为920 ℃,时效工艺为550 ℃×3 h,空冷的条件下,随着固溶时间从2 h增加为6 h,初生α相粗化明显,部分α_P相的晶粒长度可达16 μm;片状α相也发生粗化,晶粒长度由5~15 μm增长至20~30 μm,连续的晶界α相(α_GB)变得不连续,晶粒宽度由2.7 μm增长为4.4μm;同时,组织中出现了尺寸较大的α集束。试样的强度由1045.2 MPa增加为1156.9 MPa,断后伸长率由13.6%降低为6.7%。在时效温度为550 ℃,固溶工艺为920 ℃×2 h,水淬的条件下,随着时效时间从3 h增加为8 h,β转变组织的占比增加,初生α相的长度由40~60 μm减少为30~40 μm,晶界处连续的α_GB相晶粒宽度由2.7 μm增长为4.5 μm;片状α相稍有粗化,而试样的力学性能变化不大。因此,对于SLM成形TC4钛合金而言,在920 ℃固溶温度及550 ℃时效温度下,改变固溶和时效时间参数难以获得双态组织,且对综合力学性能的提高无显著影响。     

钛合金螺纹成型的有限元分析

以TC4钛合金螺栓搓丝成型过程为研究对象,利用ABAQUS有限元软件进行仿真分析,得到切向速度、径向进给速度和摩擦因数对螺纹成型质量的影响规律。结果表明：搓丝板切向速度和摩擦因数对螺纹成型质量有显著影响,而径向进给速度对螺纹成型质量影响很小;切向速度低于300 mm/s时螺纹成型质量较好,高于300 mm/s时成型质量较差;随着摩擦因数的增大,螺纹成型质量先变好后变差。通过对比分析,确定TC4钛合金最优的螺纹搓丝成型参数为切向速度300 mm/s、摩擦因数0.3~0.4。所得出的结论可为企业TC4钛合金螺纹搓丝成型工艺参数的选择提供参考。     

热处理对TC4钛合金板材韧性的影响

本文研究了低间隙和高氧TC4板材在经不同热处理温度退火后的冲击韧性、显微组织和裂纹扩展速率,得到热处理温度对板材韧性的影响规律。结果表明:TC4板材经780 ℃热处理后显微组织类型为初生等轴状及长条状α+次生α+β转变组织,冲击韧性低,裂纹扩展速率高;经900~940 ℃热处理后显微组织类型为双态组织,冲击韧性高,裂纹扩展速率低。此外,降低氧含量会显著提高板材冲击韧性,降低板材裂纹扩展速率。     

TC4合金等温挤压过程的有限元数值模拟

采用刚-粘塑性有限元数值技术模拟了TC4合金等温挤压成形筒形件过程，对等温挤压成形过程中需考虑的速度、温度、润滑等因素进行了探讨。     

TC6钛合金的热处理工艺研究

对TC6钛合金的热处理工艺与性能进行了研究,并对其性能与组织的关系进行了分析,最终确定了满足产品性能要求的最佳热处理工艺.     

加热温度和热处理对TC4钛合金热自压连接接头组织和性能的影响

采用自行设计的感应线圈、刚性拘束工装与实验室现有感应加热装置结合,以5 mm厚TC4钛合金为母材进行局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接（TSCB）,探究了不同加热温度和热处理对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,加热温度过低（900 ℃）会导致原子扩散不充分,加热温度过高（990 ℃,超过β→α相变温度）会形成的粗大魏氏体组织,导致接头力学性能降低。随着温度的升高,热拘束应力场对接头施加的压力先升高后降低,接头的连接质量也先升高后降低。只有加热温度为950 ℃即稍低于β→α相变温度时,组织分布最均匀,等轴α相晶粒最明显,且原子扩散更充分,应力场对接头施加的压力最高,接头力学性能最好。经650 ℃/3 h退火热处理后,发生了α→β相变,晶格的畸变程度降低,晶粒细化。TSCB接头残余应力状态由拉应力转变为压应力。残余应力显著降低,应力得到释放,从而提高了TSCB接头的力学性能,解决了TSCB接头塑性较低的问题。     

航空钛合金切削过程有限元数值模拟分析

切削加工过程模拟的实质是采用有限元方法求解非线性问题的过程。建立了钛合金构件切削有限元模型,其切屑分离准则是以材料损伤理论为基础确立的;利用已有的研究成果,构建了求解切削温度场和切削力的有限元模型;利用有限元软件ABAQUS/Explicit进行模型建立、材料输入、部件装配、局部细分网格、运动仿真等;通过对钛合金切削过程的仿真计算得到切削温度、切削力等的一般规律。结果表明:模拟结果与实际生产结果相符合。     

导热系数对钛合金切削绝热剪切影响的有限元模拟

利用ABAQUS/Explicit有限元软件,建立了硬质合金刀具-Ti6Al4V钛合金正交切削有限元模型,并对Ti6Al4V钛合金正交切削过程进行了有限元模拟。基于对Ti6Al4V钛合金正交切削实验,通过对比试验及仿真的切削力以及切屑形态对有限元模型进行了验证。利用所建立的有限元模型研究了导热系数的改变对Ti6Al4V钛合金切屑形态、温度分布以及切削力的影响。结果表明:随着导热系数的增加,切削力逐渐增大,剪切区的温度逐渐降低,绝热剪切程度减小。证明了在Ti6Al4V钛合金切削过程中,工件材料较低的导热系数是导致在剪切区产生绝热剪切现象的重要原因。     

TC11钛合金双重热处理工艺设计

TC11是α+β型热强钛合金,使用温度达500℃,但在现有的热处理工艺条件下综合力学性能差。鉴于此,本文设计了双重热处理工艺,采用Image-Pro Plus软件对热处理后的组织进行定量表征,揭示了不同参数对组织的影响规律,并结合力学性能测试结果进行了工艺优化。     

钛合金铣削加工表面残余应力有限元仿真

为了分析铣削工艺参数对钛合金已加工表面残余应力的影响,根据金属切削有限元分析的相关理论,以钛合金Ti6Al4V为工件材料,建立了铣削加工的有限元模型。采用正交试验设计法对钛合金Ti6Al4V铣削仿真的工艺参数进行优化,并用极差法分析不同的铣削速度、铣削深度、铣削路径对钛合金Ti6Al4V工已加工表面残余应力的影响。研究表明:在钛合金Ti6Al4V铣削过程中,对工件已加工表面残余应力影响因素由小到大依次为:铣削深度<铣削路径<铣削速度,切削深度对已加工表面残余应力影响较小,铣削速度对已加工表面残余应力影响最大;在研究范围内,随着铣削速度的增大,已加工表面残余应力逐渐增加。