TA15钛合金超塑及扩散连接性能

TA15钛合金是一种近α型钛合金,具有较好的综合力学性能,最高使用温度可以达到500℃,在飞机和发动机结构中有着广阔的应用前景。通过研究TA15钛合金的超塑性和扩散连接特性,揭示了温度、压力、时间等工艺参数对TA15钛合金超塑成形伸长率和变形后的力学性能、扩散连接接头界面焊合率和微观组织的影响规律,获得了TA15钛合金最佳超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺参数及其典型结构SPF/DB制备工艺路线。通过制备典型结构件及对其组织和性能分析,验证了采用SPF/DB工艺制备TA15典型结构件的工艺可行性。     

Fe元素对TA15钛合金显微组织和力学性能的影响

研究了添加少量的Fe元素（〈0.2%,质量分数）对TA15钛合金力学性能的影响。对比分析了未添加Fe元素的TA15合金和添加了0.20%的Fe元素的TA15合金（TA15-Fe）的拉伸性能、冲击韧性、断裂韧性、高温持久性能,并利用能谱仪测试了合金中主要元素的分布情况。研究结果表明：添加少量Fe元素对TA15钛合金的显微组织没有明显影响;两种合金的冲击韧性和室温、高温断裂韧性也基本无差异;而TA15-Fe钛合金的室温、高温抗拉强度较TA15钛合金提高约15 MPa,但在500℃下的持久寿命显著降低。这是由于Fe元素在β相内富集,起到固溶强化作用,从而提高了合金的抗拉强度;到了500℃Fe元素扩散迅速,从而加速了基体内原子和空位的运动,导致持久过程中位错攀移阻力下降,因此持久寿命降低。     

热变形TA15钛合金的显微组织和室温力学性能

通过等温恒应变速率压缩实验和X射线衍射、电子背散射衍射和透射电镜,研究了β区加热后在不同的变形温度和变形速率下变形水冷后TA15钛合金的微观组织;通过室温拉伸试验,对其抗拉强度和延伸率等性能进行了测试。结果表明,在α+β两相区压缩变形时,β转变组织中α相产生球化;水冷后发生β→α'马氏体相变。合金由球化α相、片状次生α相和针状马氏体α'相组成。在β相区压缩变形水冷后,合金主要为针状马氏体α'相。在相变点之上或之下的温度区间,随着变形温度的升高,合金的抗拉强度降低,延伸率增加;在相变点附近的温度过渡区间,随着变形温度的升高,合金的抗拉强度略有升高,延伸率降低。在相变点附近的两相区变形能获得较好的室温强塑性匹配。     

TA15钛合金超塑成形/扩散连接的可行性研究

采用厚度为2、4 mm的TA15钛合金板材,通过超塑成形/扩散连接的方法制备TA15钛合金重要承力壁板。经宏观及显微镜观察、超声波无损检测发现,该壁板质量良好。制备与超塑成形/扩散连接壁板的材质、厚度、成形工艺及成形过程完全一致的试验件,考核其拉伸性能、疲劳性能、剪切性能。结果表明,采用该种工艺制造的TA15钛合金壁板的力学性能满足设计要求,同时也指出TA15钛合金超塑成形/扩散连接的工艺参数有待进一步优化。     

变形量对TA15钛合金组成相形态和性能的影响

采用等温压缩实验研究变形量对TA15钛合金中初生α相和转变β基体形态的影响,并通过纳米压痕实验分析变形量对初生α相和转变β基体微观硬度的影响。结果表明,在大变形量条件下,初生α相明显球化,且沿垂直于压缩方向排列;不同变形量下二次α相均匀分布于转变β基体中;三次α相的出现取决于加热流程,与变形量无关。初生α相的硬度不受变形量影响,转变β基体的硬度随着变形量的增加而增加。     

平面应力条件下TA15钛合金超塑性

采用受平面应力变形的锥形件和盒形件的气压胀形实验,研究TA15钛合金在不同温度的变形能力,通过显微组织观察和力学性能测试,分析变形过程中的组织变化和性能变化。结果表明,940℃时,材料达到最佳超塑性,锥形件最大高度为94.4mm,最小壁厚为0.1mm,且盒形件的力学性能较原始板材略有提高。在温度940℃和980℃变形时均有β相析出,且随着应变的增大,α相体积分数先减少后增加,组织粗化是导致材料失效的主要原因。     

退火温度对TA15钛合金显微组织和力学性能的影响

TA15钛合金产品通常都要进行退火处理。为揭示退火温度对其显微组织和力学性能的影响,对?350 mm的TA15钛合金试棒分别进行了在760℃、800℃和840℃保温2 h空冷至室温的退火。随后采用扫描电镜和电子万能拉伸试验机检测了试棒的显微组织、室温和高温拉伸性能以及拉伸断口的形貌。结果表明：随着退火温度的升高,β相转变的组织增多,细小的α相充分球化且杂乱分布;随着退火温度的升高,合金的室温抗拉强度升高,室温屈服强度先升高后略微降低,断后伸长率降低,而高温抗拉强度和屈服强度均升高,塑性变化不大,拉伸断口的韧窝变大变浅,以韧性断裂为主。     

TA15钛合金中板组织与力学性能研究

采用一次换向+四火次轧制、二次换向+四火次轧制和一次换向+三火次大变形轧制3种工艺制备了厚度10.0mm的TA15钛合金中板，研究了轧制工艺对板材显微组织和力学性能的影响。结果表明：3种TA15钛合金中板显微组织均为α+β两相区加工组织，但采用二次换向+四火次轧制的样品B显微组织中初生α相尺寸最为细小、等轴化程度最高；3种TA15钛合金板材室温和高温力学性能均符合GJB 2505A—2008标准要求，但采用一次换向+三火次大变形轧制的样品C室温和500℃高温抗拉强度横纵向差异最小，500℃高温持久性能最佳。     

退火对TA15钛合金组织与性能的影响

研究了退火对TA15钛合金大锻件强度的影响。结果发现TA15钛合金的强度随退火温度的升高而增加 ,而塑性随退火温度的升高而降低 ,二次退火对其强度和塑性影响不明显。金相观察表明 ,退火温度增高 ,等轴α相减少 ,β转变组织增多。结果表明 ,适当提高退火温度有利于强度的提高。     

航空用TA15钛合金热变形行为研究

利用Gleeble-3800热模拟试验机,在温度800~980℃及应变速率0.001~1 s~(-1)范围内进行了TA15钛合金热压缩试验,研究了TA15钛合金在热变形过程中力学行为特点及微观组织演变规律。研究结果显示,变形温度和应变速率对流变应力影响显著。随着变形温度升高和应变速率的降低,最大变形抗力减小,且使得流变曲线在较小应变下即达到稳态。当变形温度低于或等于900℃时,随应变的增加合金的动态软化效应显著,当温度高于900℃时,合金的软化效应逐渐减弱,这主要与温度升高导致密排六方α相与体心立方β相两相比例改变进而导致主导软化机制改变有关。基于流变曲线,建立了考虑摩擦效应和应变补偿的热变形本构方程。对比分析表明所建立的双曲正弦型本构模型可较好地预测不同变形阶段合金流变应力,可为TA15钛合金热加工工艺的选择等提供参考依据。     

TA15钛合金电子束焊焊接接头力学性能

钛合金材料以及相关制造技术是实现飞机先进性的重要基础之一,电子束焊接是钛合金板材一种先进的焊接形式.对TA15钛合金板材电子束焊接试样进行了金相分析和静力试验、疲劳试验和扫描电镜(SEM)分析.结果表明,TA15板材电子束焊焊接接头的焊缝、热影响区和母材的微观组织差别明显;焊缝韧性降低,抗拉强度高于母材;热影响区尺寸较小,在1～2 mm左右,是焊接接头的薄弱部位;疲劳裂纹大多萌生于焊接热影响区区域,疲劳破坏试样断口的SEM分析表明,疲劳裂纹大多起源于焊接热影响区的气孔处.     

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。     

α相形态与含量对TA15钛合金力学性能的影响

通过对比分析具有不同初生α相含量和次生α相形态的TA15钛合金的力学性能，对该合金初生α相含量及次生α相形态与力学性能之间的关系进行了初探。结果表明：TA15钛合金中初生α相含量和次生α相的形貌对强度有较大的影响，对塑性的影响则不明显。初生α相含量增加，合金强度有所下降。当初生α相含量高于40％后，含量再增加对合金塑性提升并无益处。片层α相厚度增加和其排列有序度的增强使合金的强度有所提升，但片层α相厚度的进一步增加会使合金的强度下降。     

TA21钛合金管材力学性能研究

通过对TA21钛合金不同变形程度管材进行退火温度实验,绘制了变形程度与管材加工硬化关系曲线,变形程度与退火温度对管材抗拉强度、屈服强度、延伸率影响的关系曲线,得出TA21管材合理的冷变形程度及退火温度制度,根据该研究成果制定的加工工艺可以获得具有稳定良好力学性能的冷加工管材.     

热处理对TA15钛合金组织的影响

研究了从820℃、900℃、980℃和1030℃水冷、空冷和炉冷对TA15钛合金微观组织和硬度的影响。结果表明,随着加热温度的升高,初生等轴α相不断减少,亚稳定β相不断分解,形成细小的次生针状α相(αs);随着冷却速度的降低,合金的组织向针状和片状(α+β)相转变。显微硬度随加热温度的升高而提高,而冷却方式对其硬度影响不大。     

热处理温度对TA15钛合金管材组织及性能的影响

对TA15钛合金管材试样在750～1050℃范围内进行保温1 h后空冷的热处理,利用光学显微镜、电子万能试验机及摆锤式冲击试验机,研究不同热处理温度对TA15钛合金管材组织及力学性能的影响。当热处理温度由750℃升至850℃时,α_p未发生明显变化而次生α相片层发生了明显的粗化;随热处理温度进一步升高至950℃,α_p数量减少,等轴化的程度升高,次生α相至950℃完全转变为高温β相并在进一步冷却过程中重新析出β转变体;当热处理温度进一步提高至1000℃以上时,显微组织转变为典型魏氏组织。相变点以下热处理时(<1000℃),强度塑性匹配较好,随着热处理温度的升高,强度降低,塑性提高,850℃时达到强塑性的最佳匹配。随着热处理温度的升高,冲击性能呈现先升高后降低的趋势,其中900℃热处理后冲击性能最优。     

应变速率对TA15钛合金超塑性的影响

采用恒应变速率拉伸方法研究了应变速率对TA15合金超塑性的影响。结果表明,在变形温度为900℃,应变速率为3.3×10-4～1.1×10-2s-1时,随应变速率的降低,伸长率逐渐增大,最大伸长率为1074%。同时,在高应变速率条件下也获得了良好的超塑性能。此外,应力-应变曲线中出现了较长的应变硬化阶段,应变速率越低,应变硬化阶段越长,并且有利于超塑性变形。微观组织观察表明应变速率对TA15合金显微组织演变有着显著的影响,应变速率越低,显微组织粗化越严重。高应变速率条件下,由于动态再结晶的作用,试样变形区出现了很多新的细小等轴α相。     

氢处理对TA15钛合金焊缝组织和性能的影响

研究了不同氢处理工艺条件下TA15钛合金焊缝组织和力学性能,分析了其组织演化和性能变化的机理。利用光学显微镜、X射线衍射仪、透射和扫描电镜等方法,研究了焊缝熔合区在氢处理过程中显微组织、相组成及力学性能的变化。结果表明,800℃／30min渗氢、水淬冷却后,熔合区中形成了占氢化物,形成了大量的针状α”斜方马氏体并保留部分亚稳β[H）相,α”和β（H）在共析处理过程中分解成α和δ氢化物。真空除氢后,焊缝粗大的晶粒得到了有效的细化。800℃／30min渗氢水淬＋300℃／8h共析处理＋除氢处理后,焊缝的抗拉强度略有降低,但塑性有所升高。     

放电等离子烧结TA15钛合金及石墨烯增强TA15复合材料微观组织与力学性能

采用放电等离子烧结(SPS)方法制备了TA15钛合金,并研究了烧结温度、烧结时间以及烧结压力参数对合金致密化、微观组织与力学性能的影响.结果表明:在烧结温度为800～1200℃、烧结时间为3～7 min、烧结压力为20～50 MPa的烧结条件下,烧结参数对TA15钛合金的物相组成影响不大;合金的微观组织主要由烧结温度决定,并且延长烧结时间会使微观组织发生一定的粗化,而烧结压力对微观组织没有明显的影响.升高烧结温度、延长烧结时间以及适当地增加烧结压力,有助于TA15钛合金致密化过程的进行.烧结态TA15钛合金的室温及高温压缩力学性能由合金的致密度和微观组织共同决定.采用SPS工艺在900℃及50 MPa的烧结条件下,5 min即可获得致密的TA15钛合金,并具有最佳的室温及高温综合力学性能.此外,在900℃、50 MPa和7 min的烧结条件下,采用SPS制备了0.5％(质量分数)石墨烯增强TA15复合材料,与TA15钛合金相比,复合材料室温与高温压缩屈服强度及极限抗压强度得到了明显提高.     

成形气氛中氧含量对激光沉积TA15钛合金组织及力学性能的影响

采用激光沉积制造技术制备了TA15钛合金厚壁件,通过光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)及拉伸试验对其显微组织、断口及力学性能进行分析,研究成形气氛中氧含量对激光沉积TA15钛合金组织及力学性能的影响。结果表明:随着气氛中氧含量增加,沉积态和退火态试样的显微组织均为典型网篮组织无明显变化。沉积态试样的室温抗拉强度提高而塑性下降,氧含量保持在5×10~(-5)以下能获得较好的综合力学性能。退火态试样的显微硬度低于沉积态且两者均随氧含量增加逐渐提高。室温拉伸断口的断裂机制随着氧含量增加由韧性断裂变为半解理半韧性断裂。