航空用新型低成本钛合金显微组织与损伤容限性能关系研究

利用扫描电镜对某新型航空用Ti—A1-Mo—Cr—Zr系低成本钛合金的双态组织、片层组织及网篮组织3种典型显微组织特征和裂纹扩展过程进行了观察和分析,并对具有不同类型显微组织的合金进行了拉伸、断裂性能和疲劳性能的检测。结果表明：该新型Ti—A1-Mo—Cr—Zr系高性能低成本钛合金在不同显微组织下均具有良好的强度-塑性-韧性-疲劳性能的匹配。其中,双态组织的该合金具有最高的强度和塑性,但损伤容限性能较低（断裂韧性稍低,疲劳裂纹扩展速率高）;网篮组织的该合金具有良好的断裂韧性和疲劳强度,疲劳裂纹扩展速率与双态组织的水平相当;片层组织的该合金具有最为优异的损伤容限性能（最低的疲劳裂纹扩展速率和最高的断裂韧性）,但疲劳极限、强度和塑性稍低于双态组织和网篮组织的该合金。     

热处理对航空用TC4钛合金薄板力学性能影响研究

研究了TC4钛合金薄板经普通退火、α+β两相区固溶加时效处理及β单相区固溶加普通退火处理后,显微组织与力学性能的关系。结果表明,普通退火处理对TC4钛合金板材显微组织的影响较小,α+β两相区固溶加时效处理后能够获得双态组织,而β单相区固溶加普通退火处理能获得粗大的魏氏组织;其中双态组织的TC4钛合金薄板表现出优异的拉伸性能,而魏氏组织的TC4钛合金薄板具有较低的疲劳裂纹扩展速率及较高的裂纹扩展阻力。     

微观组织对TA15钛合金力学性能的影响

比较了两个(α＋β)两相区轧制的TA5钛合金环形件的显微组织和力学性能，分析了两个环形件的工艺控制特征及微观组织对力学性能的影响。结果表明，两相区轧制的TA15合金环形锻件获得了含有等轴初生α相和β转变组织基体的双态组织，等轴初生α相及β转变组织的体积分数和口转变组织中的次生α相的形貌对合金的力学性能有显著影响。等轴初生α相体积分数增加有利于塑性和冲击韧性性能提高，但降低了断裂韧性、持久和蠕变性能。β转变组织体积分数减少且次生α相的球化会显著降低合金抗裂纹扩展的能力，从而降低了高周疲劳性能。     

损伤容限型钛合金TA15 ELI 43 mm厚板组织与性能

研究了TA15 ELI合金43mm厚板双态组织和片层组织的室温拉伸性能、断裂韧性KIC以及疲劳裂纹扩展速率da／dN等损伤容限性能。讨论了显微组织对该合金损伤容限性能的影响。结果表明，相对双态组织而言，该合金片层组织在较少损失拉伸强度的前提下，提高了合金的断裂韧性，降低了合金的疲劳裂纹扩展速率，具有更好的损伤容限性能。     

TC4-DT钛合金疲劳长裂纹扩展速率的数学描述方程

针对经准β热处理获得的片层组织TC4-DT钛合金的疲劳长裂纹扩展速率实验结果,通过数值分析和线性回归拟合,推导了Paris方程、Forman方程和Elber方程的数学表达式,并对拟合结果的相关系数和误差进行了分析,对比了3种数学方程对片层组织TC4-DT钛合金疲劳长裂纹扩展速率的拟合精度。在此基础上,对已有模型进行优化和修正,提出了F-E分段方程。该方程以片层组织TC4-DT钛合金裂纹扩展速率曲线上转折点对应的应力强度因子幅ΔKt为分界点,分别对实验数据进行数值分析和线性回归拟合,具有较高的拟合精度。     

不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织与力学性能的影响

研究了α+β两相区锻造、近β锻造和β锻造3种不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织和力学性能的影响。结果表明,TC4钛合金经α+β锻造、近β锻造和β锻造3种工艺锻造后,分别获得等轴组织、混合组织以及片层组织;3种组织的强度相当,等轴组织和混合组织的塑性较好,混合组织和片层组织的冲击韧性较好。采用近β锻造方式,可使TC4钛合金棒材获得最佳的综合性能。     

TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展特性的研究

研究了典型的损伤容限型钛合金Ti-6A1-4V ELI（TC4-DT）的断裂韧度KIC、疲劳裂纹扩展速率da／dN以及疲劳门槛值△Kth等损伤容限性能与微观组织的关系，讨论了不同应力比（尺值）条件下片状组织与双态组织的疲劳裂纹扩展特性，并与Ti-6A1-4V（TC4）钛合金进行了比较分析。研究结果为高损伤容限型钛合金的微观组织设计和探讨微观组织对损伤容限性能的影响机理奠定了基础。     

钛合金加工中TC4无缝管材工艺研究

本文研究了在钛合金的压力加工中分别采用“挤压+温轧”和“挤压+机加”两种工艺方案试制的TC4钛合金无缝管材,对比其组织、性能及表面质量。结果表明：挤压得到的TC4无缝管材,其金相组织兼有网篮组织和魏氏组织,在片层α相组织区域边缘存在着转变β相,β晶粒粗大,无等轴α,有针状α和条状α,有晶界α和大块α。机加与温轧相比可以得到表面质量优异的管材,但其组织性能的均匀性延续了挤压态的组织与性能,经后续热处理调整提高有限。相较之下,进行温轧得到的组织更加细密均匀,性能更加优异,可以承担更大的载荷和冲击。本文为TC4钛合金无缝管材加工的工艺方案选择提供了指导。     

粉末冶金法制备细晶TC4钛合金的微观组织与力学性能

本文采用真空热压烧结+热挤压+退火工艺制备细晶TC4钛合金,对制备过程中钛合金的微观组织与力学性能演变规律进行研究。结果表明,热压烧结态TC4钛合金主要由α和β相组成,α相以等轴状分布,而β相则以细长片层状/针状分布于α相晶粒内部或晶界处。热挤压可以使合金中的α和β相尺寸明显降低,形成板条状细晶,从而使TC4钛合金室温抗拉强度从热压烧结态的837 MPa提高至983 MPa,但此时TC4钛合金的断后伸长率最低,为9.6%。进一步的退火能够使热挤压态TC4钛合金发生回复和再结晶,β相由片层状/针状向颗粒状转变,分布于α相晶界处,从而有利于TC4钛合金塑韧性的提高。因此,经过热压烧结+热挤压+退火处理得到的细晶TC4钛合金具有较为优异的综合性能。     

超塑成形及热处理对TC21钛合金组织演变的影响

TC21钛合金是一种高强高韧高损伤容限钛合金,具有良好的强度塑性断裂韧度和较低的裂纹扩展速率。TC21钛合金的显微组织决定其使用性能和力学性能,通过形变热处理能有效地改善其显微组织,从而达到较好的性能。钛合金的超塑性成形技术是利用材料在超塑性状态下的优异变形性能而发展起来的一种技术。当钛合金处于超塑性状态时其流动性能好,易于填充,从而容易成形出复杂的合     

激光沉积修复TA15/TC17热处理组织与力学性能

研究了不同退火热处理温度对激光沉积修复TA15/TC17钛合金显微组织及力学性能的影响规律。研究表明:TC17基体经退火热处理后双态组织中α片层长度、宽度及长宽比无明显变化。TA15修复区沉积态组织为粗大的原始β柱状晶,晶粒内为α/β网篮组织;当退火温度由610℃,630℃升到650℃后,TA15修复区α片层宽度明显增大,体积分数逐渐减少,长宽比下降,呈短棒状分布。经退火热处理后修复试样抗拉强度与塑性均明显提高,当退火温度为650℃时,抗拉强度最高为1102 MPa,与沉积态相比提高7. 1%,达到TC17锻件的98. 4%;断后伸长率为13. 5%,与沉积态相比明显提高,且高于TC17与TA15锻件标准;退火温度变化对显微硬度影响不大。     

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。     

高强钛合金TIG焊接工艺研究

采用一种新型Ti-V-Mo系高强钛合金,通过TIG自动送丝和手动填丝两种方式进行了焊接工艺试验,对焊接接头的成形、组织和力学性能进行了分析测试.结果 表明:两种焊接方式下的焊缝外观成形都很美观,没有飞溅和咬边等缺陷,焊道表面呈银白色;母材是一种等轴α相含量较高的双态组织,热影响区晶粒十分粗大,内部主要是针状α'相,焊缝区晶粒也十分粗大,主要由层片α相转变组织构成,含有少量针状α'相;自动送丝TIG和手动填丝TIG的接头抗拉强度分别为822 MPa和612 MPa,热影响区的冲击吸收功分别达到了72.2 J和84.9 J,表明该钛合金在TIG焊接工艺下,热影响区具有良好的韧性特征.     

TC21钛合金的全片层组织和冲击性能研究

利用光学显微镜、场发射扫描电镜和示波冲击试验机等研究了TC21钛合金在不同退火温度下的全片层组织演化规律和冲击韧性。结果表明:TC21钛合金经980℃固溶处理后,再经720、770、820℃退火处理,均能获得具有多层次特征的全片层组织。随着退火温度升高,TC21钛合金组织中α片层厚度、晶界α相厚度、α丛域尺寸都增大,而β晶粒尺寸基本保持不变。合金显微组织中小角度界面的比例随退火温度的升高而逐渐增加,冲击断裂过程中的裂纹形成功和扩展功也逐渐增大,且扩展功所占比例提高;断裂机制从穿晶断裂为主逐渐向沿晶界和丛域界断裂为主转变。     

等温退火方式对TC6轧棒组织及性能的影响

研究了TC6钛合金轧棒等温退火过程中,不同冷却方式对棒材显微组织及力学性能的影响。实验结果表明：采用随炉方式退火后,棒材为等轴α+晶间β组织;转炉方式退火后,棒材为等轴α+β转变组织;随炉退火棒材拉伸强度低于转炉退火棒材,但塑性较高。     

TA15ELI显微组织及损伤容限性能研究

采用一火β区热轧和一火两相区上部温度热轧获得了片状组织的TA15ELI钛合金厚板，通过两相区900℃、930℃、950℃和β区980℃退火热处理进一步调整合金显微组织和损伤容限性能，测定了不同热处理状态下合金的显微组织特征参数和室温拉伸性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率，分析了显微组织对损伤容限性能的影响关系。研究发现：两相区退火，随着退火温度的升高，TA15ELI钛合金组织中初始β晶粒尺寸和α集束尺寸基本不变，α片平均厚度有所增加，合金强度和塑性均有所下降，da／dN降低，KIC提高；合金在β区980℃退火较两相区退火具有更好的损伤容限性能和综合性能。     

不同热处理工艺下TC4-DT钛合金的显微组织及力学性能

研究了几种热处理制度对TC4-DT钛合金板材显微组织和力学性能的影响。结果表明:等轴或双态组织具有好的拉伸性能,片层组织能够有效提高材料的断裂韧性;控制单相区固溶的冷却速度以及第二重热处理的温度和冷却速度,可以获得不同尺寸的片层组织;单相区固溶后空冷,再经两相区第二重热处理,空冷的组织中含有粗的初生α片层和细小的次生α片层,炉冷的组织中α片层变厚,单相区固溶后水冷得到马氏体组织,在两相区热处理保温时,马氏体组织直接分解成粗的α片层。采用1 015℃/1 h/AC+955℃/1.5 h/AC+550℃/6 h/AC多重热处理,可以获得粗细相间的片层组织,具有更好的强度-塑性-断裂韧性的综合匹配。     

激光沉积TC4/TC11梯度复合结构各梯度层性能研究

采用激光沉积制造技术制备具有3层梯度层的TC4/TC11双钛合金梯度复合结构,研究了TC11含量对各梯度层组织与性能的影响,利用O-LYMPUS光学显微镜(OM)、HVS-1000A型显微硬度计、HT-1000型摩擦磨损试验机、MTS-810疲劳试验机对各梯度层进行微观组织观察、显微硬度测试、室温耐磨性能以及疲劳性能分析。结果表明,各梯度层的显微组织均为典型的网篮组织,粗大的α片层逐渐减少,针状α片层逐渐增多,使梯度材料逐渐均匀地从TC4侧过渡到TC11侧;细小的显微组织不易发生位错滑移,各梯度层随着TC11含量的增加,硬度、耐磨性能和疲劳性能不断提高。25%TC4层的性能最好,其硬度和摩擦系数分别为HV 542,0.42,相对100%TC4层的硬度提高了9.7%、摩擦系数降低了30%,磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,25%TC4层在最大应力550和800 MPa下的中值疲劳寿命最高,相对75%TC4层分别提高了21.2%,46.6%。本研究为获得性能较佳的TC4/TC11梯度结构提供参考依据。     

TA1中厚板电子束焊接头疲劳裂纹扩展速率研究

针对厚度为30 mm的TA1工业纯钛试板开展电子束焊接试验。通过对焊接接头的母材、热影响区和焊缝进行微观组织及维氏硬度测试,分析焊接过程对TA1材料组织及性能的影响。将疲劳裂纹扩展特性与接头各区域组织相结合,论述微观组织分布差异对焊接试样宏观裂纹扩展路径及裂纹扩展速率的影响。结果表明:与TA1母材相比,电子束焊接头焊缝及热影响区具有更高的疲劳裂纹扩展抗力,导致疲劳裂纹扩展路径发生偏折并最终偏向母材。与具有等轴α相的母材相比,电子束焊接过程中生成的锯齿α及α柱状晶对疲劳裂纹扩展具有阻碍作用。在应力比为0.1的试验条件下,焊缝处的疲劳裂纹扩展速率最低,热影响区其次,母材最高。     

激光冲击对TC17钛合金微结构和力学性能的影响

利用激光冲击强化工艺（Laser Shock Processing,LSP）对TC17钛合金板材进行单次冲击强化。TC17钛合金经激光冲击后得到了表层晶粒显著细化的梯度显微组织,最表面细化晶粒尺寸达到亚微米级（389 nm）。透射电子显微镜（TEM）照片显示微观组织细化机制为位错墙细分原始粗晶为位错胞亚结构,并最终转变为亚微米级等轴晶粒。晶粒细化造成的晶界强化效应以及变形组织内部高密度位错引起的位错强化效应是激光冲击后TC17钛合金表层硬度提高的原因。