飞机液压系统用TA18钛合金管材性能特殊性研究

给出了收缩应变比(CSR)的测试原理及方法,研究了CSR与TA18钛合金管材织构、拉伸性能之间的关系。结果表明,TA18钛合金管材的织构越强,管材的CSR值也会越高。通过研究TA18钛合金管材在不同温度下的拉伸性能,发现随着温度的降低,TA18钛合金管材的强度、塑性均升高,这主要与其在不同温度下的塑性变形机制有关。TA18钛合金管材的CSR值与屈强比、伸长率成正比关系,提高管材的屈强比、伸长率可提高CSR值。通过对TA18钛合金管材的CSR值进行测定,可以反映管材径向和周向的变形性能,解决了管材径向和周向性能评价难题。     

冷轧TA18钛合金管材退火织构的形成机制

TA18钛合金管材因使用环境要求应具有特定的径向基面织构,退火温度是其重要影响因素之一,为了揭示管材退火织构的形成机制,选取Φ8 mm×0.6 mm冷轧管材以及经450、500、550、600、650、700、750℃/3 h等温度退火管材为试验材料,利用电子背散射衍射（EBSD）技术研究了管材晶粒在不同退火温度下的取向特性。结果表明：初始冷轧管材具有较强的径向基面织构,且■晶向主要平行于管材轴向;管材在450～550℃、550～650℃、650～750℃退火时分别发生了回复、再结晶及晶粒长大,管材织构的转变主要发生在再结晶及晶粒长大阶段,随着再结晶的发生,管材径向织构不断增强,再结晶后的■晶向主要平行于管材轴向。再结晶退火使管材径向织构增强的主要原因是,原冷轧管材中的细小晶粒具有比基体更强的径向取向,再结晶晶粒优先在这些细小晶粒处形核生长,并获得了强径向取向,在随后的晶粒长大过程中,这些强径向取向晶粒不断长大并占据优势,从而使管材表现出强径向分布的“再结晶织构”。     

冷轧TA18管材变形过程中微观组织及织构

采用SEM、TEM、XRD及EBSD技术,研究TA18合金管材冷轧过程中微观组织及织构的演变。结果表明,TA18合金管材冷轧组织为典型的纤维状组织,滑移变形为主要的变形机制。其中,轧制初始阶段,TA18变形主要以{10-10}棱柱滑移为主;随着变形量的增大,{0001}基面滑移代替棱柱滑移,成为管材中主要变形方式,同时棱锥滑移逐渐开动;当变形量进一步增大时,棱锥滑移代替基面滑移,成为管材中主要的变形方式,织构主要以{10-12}、{10-13}、{10-14}、{11-23}、{11-24}棱锥织构为主。     

TA18钛合金管材织构对环向拉伸性能的影响

利用织构增强原理,开发出了TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金860 MPa级高强度管材,保证了管材的工艺性能,同时又具有优异的力学服役性能。标准规定反映径向织构的管材收缩应变比(CSR)大于1.3,但对上限值未作规定。本研究设计出小管径的环向拉伸夹具,测试了不同CSR管材的环向拉伸力学性能,分析织构对环向抗拉强度的影响,发现存在一个最有利的CSR值为1.75,大于或小于该CSR值时都会导致管材环向屈服强度下降。进一步测定了对应管材的极图和ODF图,从微观结构上可以解释这一规律和本质。环向抗拉强度下降会引起液压系统工作时疲劳强度降低,CSR值的上限在工艺设计时应当加以控制。本研究对发展安全可靠的航空液压系统具有十分重要的理论意义和工程应用价值。     

冷轧工艺参数对TA18钛合金管材金属流动及成形载荷的影响规律

管材周期式冷轧成形过程是一个复杂的减径、减壁过程,由于轧辊孔型复杂,轧制过程中管坯的塑性变形也较复杂,各种成形工艺参数的选择往往都是经长期实践经验积累得到的,对轧制过程缺乏规律性的认识及定量的分析。本研究则借助三维有限元软件DEFORM-3D再现了冷轧成形过程,对成形过程中金属的流动情况、管材的应力应变分布以及成形载荷进行了深入分析。结果表明:轧制速度和摩擦系数增大会引起径向拉应变和环向压应变减小,送进量增加则使得两者均增大。此外,送进量和摩擦系数增大会显著增加成形载荷。     

航空航天用TA18钛合金管材的研发及应用

简要介绍了TA18管材在国内外的研究发展和应用现状,分析了我国与国外在该管材研制技术、标准制定及应用方面的差距。美国在航空用TA18钛合金管材方面已有一系列标准,并不断加以修订、完善,且有成熟的生产技术,在航空航天领域广泛应用。我国中强级TA18钛合金管材已有应用,而高强级TA18钛合金管材的应用尚属空白。通过近几年的研究,国内高强级TA18管材的研制已经取得重大突破,有望在2～3年内实现国产化。     

冷轧Q值对TA34钛合金管材性能和织构的影响

采用X射线衍射法测定了TA34钛合金管材经不同Q值冷轧后的宏观形变织构和退火织构,分析了冷轧Q值对管材织构、工艺性能和室温力学性能的影响。结果表明：冷轧Q值对管材的塑性影响不大;冷轧TA34钛合金管材形变织构和退火织构的总体类型相同,均为轴向■织构;提高冷轧Q值会使完全再结晶退火后的TA34钛合金管坯产生周向织构,有助于提高成品管材的压扁工艺性能。     

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.     

TA18钛合金管材多行程皮尔格冷轧过程三维有限元模拟：I 理论解析、模型建立与验证

皮尔格冷轧技术制备的TA18钛合金管材具有高比强度、冷加工性能好、织构分布合理等优异的综合性能,在飞机和航天器液压管路系统、石油勘探钻杆中得到了广泛的应用。根据多行程皮尔格冷轧过程力学分析,获得了成形过程的精确运动模式和管材应力状态。然后,基于有限元软件ABAQUS/Explicit,建立了TA18钛合金管材多行程皮尔格冷轧三维有限元模型,并解决了建模关键技术,包括:虚拟曲柄连杆机构实现方法、多行程周期式运动控制方法、复杂模具几何实体定义、滚动与滑动摩擦定义。利用能量守恒原理和实验验证了模型的可靠性,以及利用成形过程等效应力和等效塑性应变分布评估了模型。     

高强度TA18合金管材性能评价与控制方法研究

研究了高强度TA18合金管材的性能评价与控制方法。利用X射线衍射法,测量了表征管材织构的极图、反极图和取向分布函数ODF,通过对国内外典型规格管材不同晶面织构强度的对比分析,得出高性能的管材织构以{0001}<1100>为主。给出了收缩应变比CSR的测试原理及方法,研究了CSR与其他性能之间的关系。结果表明,提高CSR有利于提高径向织构分布比例及管材的强度和塑性。提出了管材性能控制方法,即提高减壁/减径比Q值,则管材径向织构分布比例增加,CSR提高。     

拉拔工艺对TA2管材织构及性能的影响

本实验成功将拉拔工艺应用于TA2管材的制备,同时应用不同锥角组合对TA2管材进行拉拔,对比了不同锥角组合对TA2管材的显微组织及再结晶织构的影响。结果表明:退火态拉拔管材表现为径向织构,且部分晶粒的(0002)基面法相同管材的宏观轴向(AD)平行;微观的晶粒取向对管材宏观的力学性能有重要影响。单道次拉拔工艺制备的TA2管材其晶粒取向同轧制工艺制备的TA2管材存在明显差异。     

孪生行为对TA18钛合金管材塑性的影响

利用电液伺服材料试验机,对直径为Φ16的TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金管材试样分别在–60,25,100,200,300和350℃下进行了静态拉伸试验,并结合TEM观察TA18钛合金管材在高低温下的显微组织。结果表明,TA18钛合金管材的强度和塑性均随温度的升高而降低;通过TEM观察,在–60℃拉伸的管材中观察到明显的孪生,而在350℃拉伸的管材中没有观察到孪生现象。结果表明:孪生对不同温度下TA18钛合金管材的塑性变形起着至关重要的作用。     

小口径TA18航空钛合金管材织构测定与分析

利用X射线衍射极图测量技术,对国内试制的Φ6mm的TA18(Ti-3Al-2.5V)合金冷轧管材的织构类型进行研究。并测量了国外同直径的商用航空管材的织构类型和强度,与国产的管材进行了对比分析。采用管材减薄展平法解决了形状对X射线衍射强度影响无法修正的困难,实现了对管材织构的精确测定。结果表明:国产管材的织构类型与进口管材基本相似,主织构的(0002)面与管材径向夹角均为24°,晶向[1010]与管轴向平行。但是织构的强度差别很大,进口管材的织构强度是国产管材的2倍以上。提高织构强度及减小离散程度是改善国产管材性能的一个重要方向。     

冷轧TA5钛合金退火过程的再结晶行为及织构演变

采用电子背散射衍射技术(EBSD)对冷轧及退火态TA5钛合金板材的晶粒尺寸、再结晶及织构进行了表征,并讨论了变形不均匀对再结晶行为及织构演变的影响。结果表明:<0002>//TD取向晶粒比<0002>//ND取向晶粒更容易发生变形,结合hcp结构滑移系统的有限性,共同决定了TA5合金板材冷轧变形具有不均匀性的特点。退火早期再结晶在局部应变大的区域快速形核,且变形量越大,形核数量也越多,再结晶后样品的晶粒尺寸也越小。局部应变大的区域在退火早期以“定向形核”机制快速发生再结晶形核并长大,包括少量剩余的严重变形<0002>//TD取向晶粒;同时,其余应变较低的组织在再结晶形核全过程以“应变诱发晶界迁动形核”机制缓慢形核,这两种机制共同作用导致退火后板材的织构弱化,但仍以冷轧态的基面织构为主。硬度变化曲线可以很好的反映再结晶程度;但受织构影响,不同测试面的硬度值存在显著差异,加载轴与晶体c轴之间的夹角越大,硬度值越小。     

TA32钛合金厚板的微观组织、织构与力学性能

采用OM、SEM、XRD和EBSD等手段测试表征了60 mm厚TA32钛合金宽幅厚板的显微组织、织构和力学性能。结果表明,TA32钛合金厚板厚度横截面由变形的片层α相和少量残留的β相组成,从表层到中心位置的RD-ND (R面)和TD-ND (T面)组织差异均不明显,但可观察到明显的轧制流线。板材中α相存在直条状和波浪状2种不同的形貌,这主要与它们的晶体取向有关。板材织构类型为典型的T型织构,从厚度横截面的表层到中心部位,显微组织中α相的c轴<0001>逐渐偏离板材TD方向,导致Schmidt因子逐渐增加,是导致从表层到中心位置的拉伸强度逐渐降低的主要原因之一;另外,晶内亚结构比例逐渐降低是导致拉伸强度逐渐降低的另一个重要因素。板材厚度横截面上相同位置的RD和TD方向拉伸性能差异不明显,但沿厚度方向(ND)的拉伸强度和塑性较低。在显微组织无明显差异的条件下,织构是影响TA32钛合金厚板不同位置拉伸强度的主要因素;经双重退火热处理后,显微组织形态差异是影响拉伸强度的主要因素。     

TA18钛合金航空管材织构沿层深分布的研究

利用X射线衍射技术对冷轧制备的TA18钛合金航空管材的内、中、外三层的织构进行测定与分析,与此相对应,还测试了能反映管材各向异性特性的收缩应变比(Contractile strain ratio,CSR)。结果表明：管材织构强度沿层深会形成较大的梯度变化,通过晶体取向分布函数(ODF)的峰值密度显示织构梯度变化大于17%,特别是各层的织构的类型也存在很大差别。采用减薄展平法取管材中层进行织构测定时,即使织构强度等级较高,也会出现CSR下降的情况。原因在于管材存在有利的径向织构和不利的切向织构共存的沿层深不均匀织构分布,不利织构比重过大将导致其CSR值降低。确定织构沿层深的分布为进一步预测并改进管材的力学性能提供参考,并为改善生产工艺提供依据。     

不同工艺制备TA15钛合金管材北大核心CSCD

采用锻造法、挤压法、斜轧法3种不同工艺制备TA15钛合金管材,并对比了性能、组织、外观尺寸及生产成本等方面的差异。结果表明:3种工艺均可以制备抗拉强度为900~1130 MPa,伸长率≥9%,断面收缩率≥25%,冲击功≥28 J的TA15钛合金管材,且锻造法制备的管材的表面质量及尺寸精度较挤压法和斜轧法更好;锻造法和挤压法制备的TA15钛合金管材的显微组织为α+β双态组织,而斜轧法制备的TA15钛合金管材的显微组织为粗大的魏氏体组织;锻造法和挤压法制备的TA15钛合金管材均具有良好的强度、塑性及冲击韧性等综合性能,但加工成本较高,适用制作性能要求高的零部件,而斜轧法制备的TA15钛合金管材的塑性较差,但加工成本最低,适用使用要求低的场合。研究为根据不同需求选择合适的工艺提供了理论指导。     

退火温度对TA18管材性能和组织的影响

对冷轧后TA18管材分别进行不同温度退火处理,分析退火温度对TA18管材力学性能和组织的影响.结果表明,退火温度低于470℃时,TA18管材微观组织为加工态变形组织,力学性能随温度的升高发生小幅变化;470～550℃退火时,管材力学性能稳定在同一个水平;550～700℃退火时,TA18管材发生再结晶,随温度的升高,再结晶程度加大,力学性能发生急剧变化;750℃退火时管材则已经完全再结晶.变形量为65％时,经过380～550℃退火,TA18管材力学性能可以达到抗拉强度≥862MPa,屈服强度≥724 MPa,伸长率≥12％.     

浅析航空用高强TA18钛合金管材组织和性能影响因素

TA18钛合金凭借优异的综合性能成为航空航天管路系统的首选材料,虽然中强级别的TA18钛合金管材已实现批量化生产及产业化应用,但随着我国航空工业的快速发展,对液压管路系统在更高工作压力下服役的安全性和可靠性提出了迫切需求。介绍了TA18钛合金的特点以及研发、推广情况,阐述了材料成分、管坯制备、轧制工艺、热处理对TA18钛合金管材质量、组织和性能的影响,指出了我国在批量化制备高强TA18钛合金管材过程中所存在的诸多问题,并给出了今后的发展方向。