K4169合金-陶瓷型壳间界面传热系数研究

界面传热系数(IHTC)是铸造数值模拟前处理时需要设置的边界条件之一,对铸件凝固过程温度场计算精度有重要影响。采用ProCAST软件反算模块和试样不同壁厚处实测温度数据反算求得K4169高温合金熔模铸造试样-陶瓷型壳间的界面传热系数,并分别用于试样熔模铸造数值模拟,结果表明,计算温度与实测温度误差均在3%以内。     

热物性参数反求技术在消失模铸造球铁件中的应用

通过对消失模铸造阶梯件凝固过程的实时测温,获得铸件的凝固曲线。利用反求原理,基于华铸CAE,对球铁合金铸件进行正交模拟试验,得到铸件模拟降温曲线。选取铸件模拟温度曲线和实际测得的铸件测温曲线的相似度最高的模拟曲线,确定该合金的热物性参数。结果显示,在温度范围为800~1 300℃之间,反求之后的铸件温度曲线与实际温度曲线的相似度较高,误差小于5%。分别利用反求前、后的热物性参数去模拟铸件缺陷并且进行对比分析,反求之后的模拟结果更加符合实际情况,并且通过铸件切片试验得以验证。     

出水支管铸件的熔模铸造工艺优化

为了提高出水支管熔模铸造的铸件质量,利用ProCAST软件进行了浇注系统设计及优化。模拟了浇注温度、浇注时间和型壳预热温度对铸件凝固过程的影响。经过多次模拟,得到了最佳工艺参数,即浇注温度1350℃、浇注时间6 s、型壳预热温度500℃。使用优化工艺参数得到的铸件避免了缩松缩孔等缺陷。     

Ti6Al4V合金的高温短时蠕变本构关系与应力松弛行为

对Ti6Al4V合金在不同温度(650、700和750℃)、初始应力(100和150 MPa)和预应变(3.97%和15.87%)条件下进行多组应力松弛试验;研究Ti6Al4V合金高温下的应力松弛行为以及影响因素。利用应力松弛的试验数据推导出高温短时蠕变应变速率与应力的关系,对蠕变应变速率-应力曲线进行拟合,得到Ti6Al4V合金的高温短时蠕变本构方程。将高温短时蠕变本构关系代入有限元软件ABAQUS中对Ti6Al4V合金的应力松弛行为进行模拟。结果表明:Ti6Al4V合金的应力松弛可以分为两个阶段:第一个阶段应力松弛速率很快,剩余应力急剧降低,该过程时间为应力松弛的前250 s;第二个阶段应力松弛较为缓慢,经过2000 s后剩余应力趋向于某一极限值,即应力松弛极限。温度对Ti6Al4V合金应力松弛的影响显著,应力松弛随温度的升高而加快,且温度越高,应力松弛极限越小。初始应力和预应变越大,应力松弛极限越大,但是两者对应力松弛行为的影响不大。模拟结果与试验测得的应力松弛曲线具有很高的吻合度,验证了高温短时蠕变本构关系的可靠性。     

Ti6Al7Nb和Ti6Al4V合金的热氧化行为

在600～900℃温度下,0.5～72 h时间范围内空气气氛下对Ti6Al7Nb进行热氧化,根据增重曲线计算其氧化动力学规律,利用XRD、XPS分析表面氧化层的相组成、成分和价态,并以Ti6Al4V合金做为比照.结果表明,Ti6Al7Nb合金较Ti6Al4V合金抗氧化能力更强.同等氧化条件下,Ti6Al7Nb合金的氧化速率常数(k)更小.对短时间(1 h)氧化的样品的表面分析显示:各合金元素均以最高价态或稳定价态存在,其中Al和V被富集,而Nb则贫化;另外,Ti6Al7Nb合金和Ti6Al4V合金氧化层主要由金红石型TiO2(R-TiO2)组成,Al2O3相仅出现在900 ℃Ti6Al4V合金样品中.     

复杂泵体熔模铸造工艺数值模拟与优化控制

根据不锈钢复杂泵体的结构特点设计浇注系统,选择了熔模铸造型壳与合金的热物性参数,对复杂泵体的蜡模注射成型过程与铸件凝固过程进行数值模拟分析和生产验证。结果表明,通过增加冷铁、优化冒口尺寸,选择最佳方案,缩短了产品试制周期,提高了产品合格率。     

界面换热系数和型砂热物性参数对凝固过程影响程度的比较

用反算得到的界面换热系数对砂型铸锭的温度场进行了模拟计算。结果表明,对砂型铸锭来说,界面换热系数对铸件温度场的影响很小。然后优化了型砂的热物性参数,用这些参数对砂型铸锭的温度场进行了计算,并与实测温度场进行了对比,发现优化后的型砂热物性参数显著提高了温度场的模拟精度。最后,通过对反算前后砂型铸锭界面换热系数,以及型砂热物性参数修正前后对砂型铸锭温度场模拟平均差的对比,说明同时采用反算后的界面换热系数和修正后的型砂热物性参数,可获得模拟精度最高的温度场,其中热物性参数的影响最为明显。     

锻态Ti6Al4V合金的高温变形和热处理行为

在Gleeble-3500热模拟试验机上对锻态Ti6Al4V合金进行了变形温度730～830℃、变形速率1～0.001 s~(-1)的高温压缩变形,建立了锻态Ti6Al4V合金高温变形稳态流变方程。根据热模拟试验结果对Ti6Al4V合金进行了两相区和单相区轧制变形,分析了固溶和时效热处理对合金显微组织与性能的影响。结果表明,Ti6Al4V合金在变形温度730～830℃、变形速率0.001～1 s~(-1)时,高温变形稳态流变方程为σ=1/6.3×10~(-3)ln{(Z/e~(26.93))~(1/4.06)+[(Z/e~(26.93))~(2/4.06)+1]~(1/2)};相同固溶和时效温度下,865℃/85%变形Ti6Al4金的强度和塑性都要小于785℃/85%变形Ti6Al4V合金,Ti6Al4V合金更适宜于在(ɑ+β)两相区轧制变形和进行后续的固溶热处理; 785℃/85%变形Ti6Al4V合金在固溶温度为800℃、时效温度为515℃时具有良好的强塑性结合,抗拉强度和断后伸长率分别为1488 MPa和17.5%。     

熔模铸造Ti-1100高温钛合金的界面反应(英文)

研究不同面层材料的Ti-1100高温钛合金界面反应特性。通过对比反应层的厚度,元素分布以及微观硬度研究了面层型壳材料以及型壳预热温度对界面反应的影响。结果表明:采用ZrO2面层材料型壳浇注的Ti-1100铸件反应层的厚度和硬度明显高于采用Y2O3面层材料型壳浇注的合金;型壳预热温度越高,界面反应越剧烈;在相同的型壳面层材料和型壳预热温度条件下,Ti6Al4V合金铸件的界面反应α层比Ti-1100合金铸件界面反应层薄,显微硬度低,表现出较好的稳定性。     

Ti6Al4V钛合金高温损伤模型及损伤机理

在800～1000℃及应变速率为0.01～5 s^-1条件下对Ti6Al4V钛合金进行了高温拉伸试验,研究了其高温损伤行为。基于Normalized Cockcroft-Latham(NCL)损伤模型,提出了考虑温度及应变速率的高温损伤模型,采用Gleeble Fracture Limit (GFL)方法测定了Ti6Al4V合金的临界损伤值。对Ti6Al4V合金拉伸过程进行了仿真模拟,并与拉伸试验的断裂长度进行对比。观察了合金的拉伸断口,分析变形条件对其断口形貌的影响。结果表明：模拟结果与试验结果的吻合度较高,相关系数R为0.993,表明该损伤模型对Ti6Al4V合金的损伤具有较高的预测精度;断口分析表明Ti6Al4V合金高温下为韧性断裂,且在较高的温度和较低的应变速率下表现出较好的塑韧性。     

快速凝固Al—Ti—Fe系合金的组织演化

采用单辊旋铸技术制备Al-2.5Ti-2.5Fe,Al2.5Ti-2.5Fe-2.5V和Al-2.5Ti-2.5Fe-2.5Cr(at%，下同）合金薄带，利用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）分析了这些合金的急冷态和退火态组织。结果表明：快速凝固Al-2.5Ti-2.5Fe合金急冷态组织中存在Al3Ti和Al5Ti2两种初生相，快凝合金经400℃退火10h后，组织中出现了Al13Fe4相，在450℃退火，组织中析出了弥散Al3Ti相；快速凝固Al-2.5Ti-2.5Fe-2.5V合金急冷态组织中存在Al11V相和Al80V20相，400℃退火10h后，初生Al11V相转变为Al80V20相，且固溶在α-Al基体中的Ti,Fe以Al23Ti9相和Al13Fe4相的形式析出；快速凝固Al-2.5Ti-2.5Fe-2.5Cr合金急冷态组织中存在Al3Ti和Al13Cr2两种初生相，快凝合金经300℃退火10h后，组织中析出了Al13Cr2和Al3Ti两种弥散相，400℃退火10h时后组织中出现了Al13Fe4相。     

扩散偶法研究Fe含量对Ti6Al4V组织和性能的影响（英文）

采用扩散偶实验方法研究Fe含量对Ti6Al4V合金显微组织和性能的影响。通过制作Ti6Al4VTi6Al4V20Fe扩散偶,在1000°C经600h扩散退火,在一个样品内获得具有连续成分梯度的合金。结合电子探针、扫描电镜和纳米压痕,确定Ti6Al4VxF e合金成分-组织-硬度的关系。当合金中Fe含量增加到5%(质量分数)时,时效状态下合金中的α相体积分数降低到55%,同时合金具有最高的硬度,Ti6Al4V5Fe合金将是Ti6Al4Vx Fe体系中最具前景的合金。HAADF-STEM和XRD结果表明,Ti6Al4V5Fe合金在固溶淬火阶段生成纳米尺寸α'层片,这些亚稳的α'层片在随后的时效过程中逐渐长大,并作为α相的形核核心,形成稳定α相。     

Ti6Al4V合金热浸镀铝的空蚀行为研究

采用热浸镀法在Ti6Al4V合金表面制备Ti Al3涂层,并在550℃真空保温5 h。对热浸镀后材料与Ti6Al4V合金进行了空蚀试验对比。通过X射线衍射仪、扫描电镜及显微硬度测量等手段研究了涂层的组织形态和耐空蚀性能。结果表明:热浸镀铝比Ti6Al4V合金空蚀累积质量损失低,具有更好的抗空蚀性能,这与Ti6Al4V合金表面形成的Al3Ti的强化作用有关。热浸镀铝和Ti6Al4V合金空蚀20 h后横截面显微硬度都降低,发生了加工软化现象,使得材料表面逐渐脱落。     

铝合金模精密铸造界面换热系数测量

熔模精密铸造对于铸件近净成形具有重要意义,但目前鲜见对其铸件-铸型界面换热系数的相关研究.本试验在一维传热模型中采用非线性估算法对工业纯铝在熔模铸造过程中与型壳的换热行为进行了研究,分析结果表明:在凝固前期,铸件与型壳之间的热流密度基本不变,而界面换热系数随两者温差减小而增大;凝固中期,界面换热系数随着整体固相分数增加而线性下降;凝固后期,界面换热系数下降变得十分缓慢.将在一维模型中反求得到的界面换热系数应用到三维铸件模型中,得到的模拟温度与实测温度基本吻合,证明通过一维模型与非线性估算法求取的界面换热系数比较准确,有望在铝合金精密铸造温度模拟中得到应用.     

熔模铸造ZL114A铝合金凝固过程界面换热系数研究

为获得ZL114A铝合金在凝固过程中温度场的分布规律,根据实际工况设计了测温实验方案,利用热电偶和热成像仪得到了金属及其型壳在凝固过程中温度场的变化曲线,并根据实际测得的温度曲线借助ProCAST模拟软件中的反算模块对铸件与型壳间的界面换热系数进行了反求,得到了更加符合实际的界面换热系数。随后对其进行验证,用该界面换热系数所模拟求得的金属液温度曲线与实测值最大温差为10℃,型壳温度曲线与实测值最大温差为15℃,该方法及结果为铝合金熔模精铸模拟界面换热系数的设置提供了参考依据。     

Ti6Al4V合金相变及吸氢热力学研究（英文）

在823～1023 K的氢化温度范围内对Ti6Al4V合金进行了压力-成分等温线测试,研究了Ti6Al4V合金的相变和吸氢热力学。结果表明,当Ti6Al4V合金在不同的氢化温度下进行置氢处理时,氢压随着氢含量的增加而逐渐升高。由于Ti6Al4V合金中原始β相的存在,在置氢处理过程中,每个压力-成分等温线只有一个倾斜的压力平台。根据Vant’s Hoff定律,压力平台区的焓变值和熵变值分别为-50.7±0.26 k J/mol和-138.4±0.69 J·K~(-1)·mol~(-1)。随着置氢温度的升高,Sieverts常数呈先增大后逐渐减小的趋势。分析了Ti6Al4V合金在置氢处理过程中的相组成和相变。     

基于自洽模型的置氢Ti6Al4V合金流动应力预测

对不同置氢量Ti6Al4V合金在Gleeble-1500热模拟试验机上进行了等温压缩实验,实验温度为750、800、850、900、950和1000℃,应变速率为1 s^-1。结果表明,Ti6Al4V合金的流动应力随置氢量增加先减小后增大,变形温度为750、800和850℃时,置氢量0.31%(质量分数,下同)合金流动应力最低;变形温度为900、950、1000℃时,流动应力最小值对应的置氢量分别为0.17%、0.1%和未置氢。基于自洽模型建立了置氢Ti6Al4V合金高温变形本构模型,该模型通过调整氢对β相的强化作用和氢对β相转变温度的降低反映置氢对Ti6Al4V合金流动应力的影响。与实验结果对比表明,所建立的本构模型可以准确预测流动应力随置氢量和变形温度的变化。     

Ti6Al4V-0.55Fe合金连续升温过程的相变研究

通过连续升温热膨胀法(DIL)研究了Ti6Al4V-0.55Fe合金在连续升温过程中的α相回溶(α+β→β)的热膨胀行为和显微组织演化。采用了1、5、10、15 K/min的4种升温速率对Ti6Al4V-0.55Fe合金进行热膨胀实验,结果发现:不同升温速率的α相回溶曲线都展现出典型的"S"型曲线,表明α相回溶是一种由形核长大控制的过程。通过Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)方法和Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami(KJMA)模型分别得到α相回溶转变平均相变激活能E和随着α相回溶体积的增大所对应的Avrami指数n,可分为3个阶段,即相变初期(0f0.01)、相变中期(0.01f0.95)和相变终期(0.95f1),表明Ti6Al4V-0.55Fe合金的α相回溶过程机制在不同时期是不同的。同时采用背散射电子像(BSE)进行Ti6Al4V-0.55Fe合金组织演化验证分析,发现α相回溶温度区间与升温速率为15 K/min的热膨胀曲线确定的温度区间885~1043℃相同,增加了热膨胀实验结果的可靠性。最后,结合相转变曲线,给出了合金连续升温过程α+β→β相转变的连续升温相转变图。将Ti6Al4V-0.55Fe与Ti6Al4V合金比较,发现两合金的热动力学差别主要为Ti6Al4V-0.55Fe合金α相回溶平均相变激活能比Ti6Al4V低,表明Ti6Al4V-0.55Fe合金比Ti6Al4V合金的α相回溶更容易。     

单晶高温合金/Al2O3型壳界面行为研究

采用直接浇注法制备金属型壳界面行为试样，其金属为单晶高温合金DD3、DD6，型壳为Al2O3。通过金相显微镜、扫描电镜及能谱分析对试样表面进行研究。结果表明，采用Al2O3型壳铸造出的DD3、DD6单晶铸件外表面光洁，Al2O3型壳可用于DD3、DD6单晶高温合金的熔模铸造工艺。     

Ti6Al4V合金表面类金刚石多层膜的耐蚀及摩擦磨损性能

采用磁过滤直流阴极真空弧源沉积技术在Ti6Al4V合金表面制备类金刚石多层膜,采用原子力显微镜和纳米压痕仪观测其表面形貌及硬度;采用微磨粒磨损试验机及三电极电化学测试系统考察类金刚石多层膜在模拟体液环境中的摩擦学和耐蚀性能,并与Ti6Al4V合金进行对比。结果表明：类金刚石多层膜由致密分布的纳米颗粒组成,表面粗糙度为4.86 nm,硬度和弹性模量分别为54.82和342.27 GPa;在模拟体液中类金刚石膜显著提高了Ti6Al4V合金的抗磨能力和减摩性能,其磨损率仅为Ti6Al4V合金磨损率的11.7%~22.6%。随着载荷增加,Ti6Al4V合金和类金刚石膜的腐蚀电位降低,腐蚀电流增加;类金刚石多层膜可有效提高Ti6Al4V合金的耐蚀能力。