高能喷丸对Ti-6Al-4V钛合金渗碳层耐磨性的影响

为改善Ti-6Al-4V钛合金的硬度和耐磨性能,利用高能喷丸(HESP)与渗碳复合工艺在合金表面制备强化层。首先对试样进行高能喷丸处理,然后利用无氢渗碳方法对试样的喷丸面进行渗碳。对渗碳后的试样进行微观组织观察、物相分析和元素含量测定,并测试试样的硬度和摩擦磨损性能,研究高能喷丸对Ti-6Al-4V合金渗碳行为和渗碳层性能的影响。结果表明:与直接无氢渗碳试样相比,经过高能喷丸处理后试样的渗碳层厚度以及渗碳层中C元素含量和TiC含量都得到了明显提高。经过复合工艺处理后,试样表层硬度达到了HV 1061,而直接渗碳试样为HV 928. 1,并且在距表层150μm深度范围内其硬度都高于直接无氢渗碳试样;试样的磨损性能也得到了明显提高,在相同条件下磨损量仅为直接渗碳试样的32%。     

酸洗对ZTA15钛合金表面污染层及化学成分的影响

利用熔模精密铸造技术制备了ZTA15钛合金试棒。采用金相法观察和测定表面污染层厚度，制定酸洗量。酸洗前后，使用2点直径测量法和金相法确定污染层去除情况；酸洗后进行真空退火，从3种状态试棒表面取样进行化学成分试验，检测氢、氧含量的变化情况，研究了酸洗对ZTA15钛合金表面污染层及化学成分的影响。结果表明，ZTA15钛合金表面污染层厚度为0.1～0.2 mm，当酸洗液中氢氟酸、硝酸和热水按照30%∶30%∶40%的质量比配制、温度40～60℃、酸洗时间60 min以内、酸洗量0.25 mm±0.05 mm时，可以彻底去除硬度高、塑性低的α污染层，避免在后续变形或受力时导致脆化或产生裂纹，提高其使用性能。ZTA15钛合金酸洗后表面有轻微的吸氢，氧含量无明显变化，经真空退火后又有析氢，表面氢含量始终满足<0.01%的要求，不会产生氢脆等对成分性能不利的情况。     

添加微量B元素对铸造TC4钛合金显微组织和力学性能的影响

为细化铸造TC4钛合金的晶粒,改善合金的力学性能,在合金中加入了少量B元素.结果表明:随着B含量逐步增加至0.06％(质量分数,下同),ZTC4钛合金晶粒尺寸从添加B之前的4.5mm细化至0.36mm,硼化物的主要分布也随之由晶粒内部分布转变为晶界处分布.当B含量为0.03％时,ZTC4钛材料具有最高的延伸率,但当B含量超过0.06％时,ZTC4钛材料拉伸时接近脆性断裂.导致ZTC4-0.06B材料几乎脆断的原因可能是B含量过多导致B化物分布由主要在晶粒内部转向晶界处.从晶粒细化效果和材料力学性能综合考量,铸造TC4钛合金中B的最佳添加量为0.02％～0.04％.     

喷丸强化对TC11钛合金高周疲劳性能的影响

主要研究TC11钛合金喷丸前后高周疲劳性能的改变情况,并对比研究了喷丸前后宏微观影响因素的变化。在疲劳试验前后采用X射线应力衍射仪(XRD)、金相显微镜、扫描电镜(SEM)、超微小显微硬度计等分析研究了喷丸强化对TC11钛合金高周疲劳性能的影响,并结合升降法和成组实验法测试喷丸前后两种不同表面状态下TC11钛合金的高周疲劳性能,拟合成两种不同表面状态下的疲劳S-N曲线。疲劳试验结果表明喷丸后在表层形成明显的残余压应力场和喷丸硬化现象,将裂纹萌生驱赶至次表面,显著提高了TC11疲劳强度和寿命。经喷丸后TC11钛合金试样疲劳强度极限达到616.5 MPa,而未喷丸试样疲劳强度极限仅为448 MPa,与之相比喷丸后疲劳强度极限增加了168.5MPa,提升幅度达37.6%。喷丸不仅使得试样表面完整性更为良好,减少了表面应力集中区,还使得表层组织中α相分布的致密度增加。喷丸硬化致使表层显微硬度值发生变化,形成一个深度有近260μm的梯度分布层,表面硬度达到HV433,较未喷丸相比也有近HV50的提升。喷丸后疲劳源深度达到258μm,较未喷丸试样的38μm相比增加达220μm。     

TC4钛合金表面α污染层及金相检测方法

在叙述钛合金表面α污染层对材料性能严重危害以及金相法检测α污染层比其它方法优越的基础上，详细介绍了金相的检测方法，用庐方法不仅检测出了TC4钛合金表面的单机α污染层和富α相污染层，而且检测出了厚度小于10μm的特殊α污染层，并对不同α污染层的形成及其特征进行了探讨。     

氧含量对TC4 ELI钛合金棒材组织及力学性能的影响

采用自主制备的两种氧含量的TC4合金铸锭,通过开坯-锻造-退火等工艺制备出间隙元素含量远远低于GB/T 13810-2017及UNS R56401要求,性能优异的TC4 ELI钛合金棒材.通过化学分析、金相显微镜、拉伸试验和扫描电镜研究其性能,结果表明,经过开坯-锻造-退火,钛合金棒材氧氮氢等间隙元素含量较铸锭有较明显降低,其中氧含量均低于0.07％.棒材的力学性能受氧含量影响不大,强度及塑性较高,静态拉伸呈塑性断裂,棒材显微组织主要为均匀细化的等轴组织、双态组织及网篮组织.     

热处理对激光沉积TC4钛合金组织与力学性能的影响

以TC4钛合金球形粉末为原料,利用激光沉积制造方法制备TC4钛合金拉伸试样厚壁件。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等方法对比研究沉积态、退火态及固溶时效态试样的显微组织及力学性能,并对固溶时效后特殊β转变组织的形成机制进行了讨论。结果表明:去应力退火处理对钛合金的组织与性能影响不大;经两相区固溶时效处理后,初生α相体积分数大幅度下降,部分初生α相呈颗粒状;固溶处理后会生成细针状的马氏体α'相,针状α'相间的β相呈连续状薄层,后续的时效处理则使β相进一步分解成非连续的散点状,与组织中次生α相组成特殊的β转变组织;由于固溶时效态试样组织中存在较多细小相造成位错塞积使强度明显提高,塑性大幅下降;固溶时效处理后试样显微硬度明显升高;沉积态与两种退火态试样断口表面都存在大而深的韧窝,为延性断裂,固溶时效态断口表面存在较小韧窝和撕裂棱,为半解理半延性断裂。     

熔滴对TB6钛合金高周疲劳性能影响

利用典型应力对比试验,研究了烧伤熔滴对,TB6钛合金旋转弯曲疲劳和轴向拉.拉疲劳的影响,并分析了烧伤熔滴的形貌和疲劳试样的断口特征.结果表明:熔滴处易形成富氧和富氮层脆性相,在应力作用下极易开裂成为疲劳源;另外,熔滴会导致基体组织发生变化,对基体一般产生第二类烧伤,破环试样表面的完整性,从而加速疲劳试样破坏,也会成为断裂源,显著降低其高周疲劳性能,对TB6钛合金高周疲劳有严重影响.     

TC4钛合金丝材焊件冲击失效分析

采用钨极氩弧焊接工艺获得TC4钛合金丝材防护架,随后对其进行冲击试验,发现多处焊接点发生断裂失效。为此,研究了TC4钛合金丝材焊接处的组织、显微硬度以及断口形貌。结果表明,在快速加热及冷却的热循环作用下,焊件焊合区域产生马氏体相,主要以α'相形式存在,另有少量的α″相;焊合区域的局部显微维氏硬度平均值达5.5 GPa,是母材区域硬度值的近1.5倍;相比于TC4钛合金丝材弯曲断裂的韧性断口形貌,焊件断口存在解理台阶,为脆性断裂,这主要归结于马氏体的存在使得焊接处塑性和韧性降低。     

TC4钛合金固体渗硼催渗剂的研究

在基础固体渗硼剂(碳化硼和碳化硅)中分别添加氟硼酸钾、氧化铪、氧化锆和氧化镧(4%,质量分数)对TC4钛合金渗硼层的表面形貌、渗层厚度、硬度及渗层组织的影响进行了研究,并对其各自的作用机制进行了探讨,最终优选出最佳的催渗剂。结果表明:添加氟硼酸钾的渗层表面凹凸不平且腐蚀严重,与渗硼之前的试样相比,试样厚度明显减少,因此不能作为TC4钛合金固体渗硼的催渗剂;添加氧化铪的试样渗层表面形貌良好,但渗层疏松且薄,与基础渗硼剂的相比,厚度不仅未增加,反而有所减少(减幅为90.7%),因此也不能作为TC4钛合金的催渗剂;添加氧化锆、氧化镧的渗层表面形貌良好,与基础渗硼剂的相比,厚度与硬度得到显著提高(添加氧化锆增幅分别为30.1%和30.3%,添加氧化镧增幅分别为49.7%和90.2%),具有明显的催渗作用,因此能作为TC4钛合金固体渗硼的催渗剂;与添加氧化锆的渗层相比,添加氧化镧的渗层组织均匀致密,渗层更厚更硬(分别提高了15.1%和46.0%),具有更显著的催渗效果,是最佳的TC4钛合金固体渗硼的催渗剂。     

氢对α+β钛合金固态相变的影响

研究了氢对TC4钛合金高温淬火过程的亚稳相转变以及其微观组织的演变的影响.试验结果表明,随着氢含量的增加.氢首先促进了TC4钛合金中斜方马氏体α"的生成,α'体积分数降低.在0～0.45%(质量分数)之间,形成了α'和α"共存的独特组织,并在0.45%时α"马氏体体积分数达到最大;继续增加氢含量,氢开始抑制马氏体,促进更稳定的体心β的生成.亚稳相分解试验表明,氢降低了马氏体分解转变温度,随着时效温度的升高和氢含量增加,显微硬度降低.同时,与α'分解相反,经过时效后,β相取代α首先在马氏体α"内析出,细化了晶粒.     

TC4钛合金零件表面异常亮线缺陷分析

本文就TC4合金零件表面在氧化处理前,经过清洁、抛光后,发现存在异常亮线,通过金相组织、扫描电镜对区域合金成份进行能谱测定、显微硬度等方法分析了亮线的相关特征及产生的原因。分析结果表明:异常亮线区域A层没有V元素,仅含有Ti和Al元素,且Al元素含量仅有0.84%,合金元素明显不满足合金牌号的要求。异常亮线区域B层Al、V等主元素含量虽然满足TC4合金牌号合金成分的要求,但与基体相比,V元素含量较低,因此导致在相同加工条件下异常亮线区域B层α相含量较多。与基体相比,异常亮线区域元素含量的差异导致微观组织与基体区域不同,表现在宏观上呈现明显区别于基体的亮线区域。     

掺硅非晶碳薄膜对TC4摩擦磨损性能的影响

利用C₂H₂和Si靶,通过等离子体增强化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition,PECVD)和磁控溅射法,在Ti-6Al-4V(TC4)合金表面沉积类金刚石(diamond-likecarbon,DLC)膜层和不同Si含量的Si-DLC膜层。利用拉曼光谱和X射线光电子能谱分析膜层中的键合含量和结构无序性;采用纳米压痕和纳米划痕法测试TC4合金及其膜层试样的力学性能;使用HT-1000高温摩擦磨损测试仪和光学轮廓仪测试TC4合金及其膜层试样的摩擦磨损性能。结果表明：无论是否含Si元素,DLC膜层都能够有效提高TC4基体表面硬度,其中沉积纯DLC膜层后TC4基体的硬度相比无涂层提升了2.4倍,提升率最大;纯DLC和Si的摩尔分数分别为1.79%和3.06%的2种Si-DLC膜层,都可使TC4基体的表面摩擦因数从无涂层的0.64降低至0.1左右,磨损率从无涂层的476.5×10^-7 mm³/(N·m)降低至0.5×10^-7 mm     

表面机械研磨处理工业纯锆的组织和拉伸性能研究

对退火态工业纯锆试样分别进行了5,15,30和45 min的表面机械研磨处理,利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察了试样的微观组织,对其表层晶粒尺寸进行了X射线衍射分析、采用维氏显微硬度仪测量了沿层厚方向的硬度,并进行了室温拉伸性能测试。实验表明,经过表面机械研磨处理,在强烈塑性变形作用下试样表层晶粒尺寸能够细化到纳米尺度,而且随处理时间增加而进一步降低,经过45 min处理后试样表层晶粒尺寸可以达到25 nm左右;处理后在试样的次表层形成了一定深度的变形层,具有较高的孪晶密度,并且变形层厚度随处理时间延长而提高。试样表层形成的纳米结构使其显微硬度获得了显著提高,并随处理时间增加而进一步提高;沿层厚方向试样显微硬度逐渐降低,与微观组织的变化一致。拉伸试验表明,表面机械研磨能够使试样得到强化。随处理时间的增加,试样屈服强度和抗拉强度能够得到明显改善,而试样的延伸率则随处理时间的增加而降低。对经过45 min处理的试样,其屈服强度和抗拉强度分别为324和414 MPa,相对于原始试样分别提高了11.7%和8.7%,延伸率为23%,降低了30.9%,拉伸断口主要形貌特征为韧窝,处理层和中心层呈现不同的组织特征。     

过热区对大尺寸TB6钛合金棒材组织与性能的影响

尺寸为210 mm×210 mm的TB6钛合金方形棒材经固溶加时效处理后,心部形成过热区。研究了过热区对TB6钛合金棒材组织与性能的影响。结果显示,距棒材表面深度为60 mm以内的区域为正常的球状等轴组织,深度超过65 mm的心部过热区为针状网篮组织。过热区的形成主要是由于心部区域在固溶处理时的冷却速度低于临界冷却速度,没有生成亚稳β相,而直接生成α+β相造成的。棒材横截面上过热区面积占比约18.4%,相比正常区域,其抗拉强度最大降低22.9%,屈服强度最大降低28.5%,布氏硬度降低4.2%,但是具有较好的塑性、较高的平面应变断裂韧度与较强的抗疲劳裂纹扩展能力。过热区的存在增大了棒材横截面组织与性能的不均匀性,降低了TB6钛合金棒材及后续所制锻件的安全系数,必须予以避免。     

钛合金固相渗硼-稀土渗硼机理研究

表面强化处理可以大幅提升钛合金的耐磨性， 也有利于钛合金在高温环境中应用。 钛合金高温固相渗硼是 重要的表面强化方式， 添加稀土提高渗硼效率是重要技术手段。 为深入研究稀土的渗硼催化机制， 本文开展了 900~1050℃渗硼试验， 重点分析了渗硼剂在试验后的相组成变化。 结果表明， 稀土可通过与硼源、 氧发生化学反 应， 生成熔点较低的稀土硼酸盐。 本文对该硼酸盐发挥的作用进行了解释， 论述了稀土在渗硼反应过程中的作用。 经过渗硼的钛合金表面形成了 TiB/TiB2 双相渗层， 显微组织分析表明该渗层与基材结合紧密、 无孔洞缺陷。 本文 还对渗硼钛合金的拉伸性能、 表面摩擦系数、 维氏硬度、 高温洛氏硬度、 结合力等基础力学性能进行了测试， 结 果表明， 渗硼钛合金具有优良的综合力学性能。     

搅拌摩擦加工IF钢的组织性能

对3 mm厚的DC04冷轧IF钢板进行搅拌摩擦加工,研究加工区域的微观组织与力学性能.在旋转速度为950 r·min-1,加工速度为60 mm·min-1时,采用加工后强制冷却技术可获得光滑平整且没有缺陷的加工表面.搅拌摩擦加工后组织显著细化,加工中心的平均显微硬度约为HV 135.6,是母材硬度的1.4倍,表面细晶层硬度最高可达到HV 312.8,细晶层和过渡层的抗拉强度分别比母材的抗拉强度提高50.9%和47.6%,加工前后试样的拉伸断口均呈微孔聚合韧性断裂特征.细晶强化对材料抗拉强度的提高起主要作用.      

激光诱导击穿光谱分析中钛合金样品制备方法研究

Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr钛合金具有高温延展性好、高温强度大的特点,有用于铸造涡轮、涡流器、叶片等高温部件的潜力。在用激光诱导击穿光谱(LIBS)对合金或部件内部定量分析前,需预先将被分析钛合金样品和钛合金标准样品用相同的方法制备以去除表面氧化层、铸造反应层和污染物。鉴于该钛合金为室温脆性材料,不适于切削制备样品,宜采用磨抛方法制备样品,而磨抛制备样品时因发热粘滞会造成样品表面污染,影响LIBS分析钛合金中成分。实验用LIBS评价光谱磨样机磨制、金相磨样机磨制、手工磨制、手工抛光、辉光氩离子轰击等几种方法去除不同组织钛合金标样表面氧化层、污染物的效果。通过LIBS分析发现,样品制备过程中污染来源于制造砂纸的胶接剂,磨制线速度、磨料粒度、抛光方向影响制备效果,且样品的组织也影响污染物去除效果。用碳化硅砂纸光谱磨样机高速磨制钛合金表面碳污染层深度大,达15μm,高于水冷金相磨样机中速磨制的碳污染层深度,说明温度高促进碳在钛合金中的扩散;中低速磨制时,使用的砂纸标号越高,含碳、钙的污染物在样品表面附着增加。中速磨制时,与α相亲和力强的钙、铝等元素在α组织的钛合金扩散深度较α+β、α_2+γ组织钛合金大,钙污染深度达10μm,而碳在不同组织的钛合金表面扩散没有明显差别。手工低速磨制时,在钛合金表面上的碳、钙污染层较浅,深度为1~3μm,与磨痕深度一致。双向或沿磨削纹理抛光效果优于垂直纹理抛光效果,残留污染物深度不超过1μm,与辉光氩离子轰击效果相近。实验研究解决了钛合金样品制备易受污染的问题,LIBS分析碳等元素的校准曲线得到改善,测量精度得到提高。对于Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr钛合金样品分析的结果同其他方法的对照结果一致性较好。     

钴基合金渗层对钛合金耐磨、抗蚀性能的影响

采用双层辉光渗金属技术在Ti6Al4V钛合金表面制备钴基合金层以增强其耐磨、抗蚀性能,并考察了进行后喷丸复合以改善高温处理中对基材疲劳抗力损伤的处理对其性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、辉光放电光谱仪、显微硬度计、静态压入和动态压压疲劳设备分析和评价了钴基合金渗层的结构、成分分布、硬度和表面韧性,借助球-盘磨损试验机和电化学工作站研究了改性层对基材的干磨损行为和抗3.5%NaCl(质量分数)水溶液电化学腐蚀性能的影响。结果表明:在钛合金表面制备出由20μm沉积层和约5μm扩散层组成的钴基合金渗层,组成元素呈梯度渐变分布,表面硬度达HK_(0.98)N718,由于基材表面硬度提高了近一倍并具有良好的减摩润滑特性,使钛合金表面耐磨性提高了28倍,同时该渗层在3.5%NaCl(质量分数)水溶液中呈现良好的钝化特性,抗腐蚀性能优于钛合金基材。经陶瓷丸以0.15 mm A强度(Almen强度)喷丸后处理的钴基合金渗层的上表面沉积层减薄了1/5,表面硬度稍有增加,且表层硬度梯度呈现出一定程度的变缓,表面韧性却明显增强,但喷丸处理不仅使得钴基渗层表面耐磨性有所降低,其磨损率仅为钛合金的1/10,而且引起钴基合金渗层抗电化学腐蚀性能稍劣于钛合金基材。     

Fe元素含量对钛合金性能的影响

Fe元素作为最强β相稳定元素之一,具有慢共析性质和低廉的价格,是一种十分受欢迎的钛合金添加元素。随着钛合金中Fe元素含量的增加,钛合金性能将发生一系列变化。从显微组织结构、力学性能、腐蚀性能和加工性能4个方面概述了添加不同含量Fe元素对不同类型钛合金(包括α、近α、α+β及β型钛合金)性能的影响,并展望了Fe元素作为钛合金添加元素的发展趋势。