提升钛合金耐蚀性能的合金化及微观组织因素浅析

近年来,世界各地的石油和天然气生产都在向海陆架发展,钻井和生产平台、管道系统和设备也面临越来越苛刻的腐蚀环境,传统金属和合金的防腐性能越来越满足不了生产需求。钛合金具有高的比强度和优异的耐腐蚀性能,在石油化工、海洋工程领域的应用越来越广泛。钛合金表面氧化膜的生成是其优异耐腐蚀性能的根本原因,但在其使用过程中,仍面临缝隙腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀和氢脆等问题。从钛合金合金化元素、微观组织调控及表面技术出发,探讨钛合金防腐蚀机理,为新型耐蚀钛合金的设计和加工提供理论指导。     

海洋环境下钛合金主要服役性能研究

随着我国海洋装备对高性能材料的需求越来越紧迫,具有高比强度和优异耐腐蚀性能的钛合金受到越来越多的重视。然而,由于缺乏海洋环境下钛合金的相关服役性能数据,导致装备设计单位和应用单位选材困难,极大限制了钛合金在我国海洋工程装备上的应用。针对钛合金在海洋环境下服役面临的主要失效形式:压缩蠕变、低周疲劳和应力腐蚀,研究了不同组织形貌对TC4 ELI钛合金相关服役性能的影响,研究结果表明:TC4 ELI钛合金网篮组织的压缩蠕变性能优于双态组织;双态组织的低周疲劳性能优于魏氏组织;魏氏组织的抗应力腐蚀性能优于双态组织。可见,组织形貌对钛合金的服役性能具有重要影响,应根据具体的服役工况进行选取。     

等通道角挤压制备超细晶纯Ti的腐蚀性能研究

通过等通道角挤压(ECAP)的方法制备了超细晶纯Ti,利用EBSD技术研究了2～4道次样品晶粒尺寸、基面织构强度和大小角度晶界的变化规律。同时,采用动电位极化和EIS的方法研究不同晶粒尺寸样品的耐模拟海水腐蚀性能。结果表明:经过2道次ECAP,原始粗晶纯Ti的晶粒尺寸和基面织构强度减小,小角度晶界分数急剧增加。随着挤压道次的增加,纯Ti的晶粒尺寸继续减小,基面织构强度先增大后减少,小角度晶界分数逐渐降低。相比于原始粗晶纯Ti,所有ECAP制备的超细晶纯Ti的腐蚀电流密度和腐蚀速率明显降低,极化电阻增大,表现出更加优异的耐海水腐蚀性能。另一方面,随着ECAP道次的增加,纯Ti的耐海水腐蚀性能并不是呈单调增加的关系,3道次试样的耐腐蚀性能最优,这主要归因于晶粒尺寸、基面织构和晶界特征分布的耦合影响,其中基面织构强度的影响占据主导地位。     

新型高强韧Ti-Al-Fe-B系钛合金组织和性能研究

研究了Al元素(1%～3%,质量分数)的添加及热处理工艺对合金Ti-x Al-3.5Fe-0.1B组织和力学性能的影响。结果表明:Ti-x Al-3.5Fe-0.1B为α+β两相钛合金,随着Al含量由1%增加到3%,合金屈服强度由590 MPa提高到900 MPa,抗拉强度由808 MPa提高到1074 MPa,固溶强化明显,同时,延伸率达到15.4%。组织观察发现:随着Al含量的增加,片层状初生α相片层厚度减小,合金组织细化明显。另一方面,对Ti-3Al-3.5Fe-0.1B合金进行不同的热处理发现:双重退火后,合金的屈服强度进一步提高到1000 MPa,抗拉强度提高到1144 MPa,同时,塑性也提高到17.5%,合金具有优异的强韧匹配性。这主要是因为合金双重退火过程中,组织中生成的亚稳β相分解生成次生α相,次生α相尺寸小,位错在次生α相边界受阻。同时,次生α相在β基体上弥散分布,形成弥散强化,导致合金强度进一步提高。另一方面,组织中等轴α相的存在,对于塑性的提高起到了积极的作用。     

TC4 ELI钛合金显微组织对低周疲劳性能的影响

通过分析TC4 ELI合金在不同应力幅下的应变-循环次数曲线,研究了双态和片层2种典型组织的低周疲劳性能。组织观察发现:双态组织中等轴α相体积分数约26.6%,等轴α相平均晶粒尺寸约7.8μm。片层组织试样中,α相的片层厚度为0.5～2.0μm。低周疲劳性能结果表明:在最大应力水平下,不同组织的TC4 ELI合金均表现出显著的循环软化现象,双态组织具有更加优异的疲劳性能,这主要是因为双态组织中有效的滑移程远小于片层组织,此外高位错密度等轴α相的存在也阻碍了疲劳裂纹的萌生和扩展。断口形貌分析发现:双态组织试样的疲劳断口平整光滑,而片层组织断口则出现了与原始粗大的β晶粒有关的几何形刻面。     

Mn微合金化对Ti-Al-Mo-Zr-Fe-B合金组织演变和力学性能的影响

通过OM、EBSD和TEM等研究了Mn微合金化对新型近α Ti-Al-Mo-Zr-Fe-B合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：添加0.5%（质量分数）的Mn元素可以将合金的铸态微观组织从3.28 μm细化到2.65 μm,使其抗拉伸强度从882 MPa提高到966 MPa,但延伸率从7.8%下降到5.1%。锻造后的2种合金的晶粒尺寸趋于一致,微观组织趋于等轴化且Mn微合金化后的组织更加均匀。锻造后,Ti-Al-Mo-Zr-Fe-B合金的抗拉伸强度和延伸率增加到966 MPa和16.4%,而含有0.5%（质量分数）Mn元素的合金具有更高的抗拉伸强度,达到了1079 MPa,同时延伸率达到了15.8%。结论表明,强度的提高可以归因于Mn元素的固溶强化效应,同时Mn微合金化处理使合金中的Al元素富集于α相,有利于提高合金的强度和塑性。     

Fe含量对Ti-xFe-B合金铸态组织演变及力学性能的影响

本文利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度仪和电子拉伸试验机等分析测试方法,系统地研究了Fe元素含量变化对Ti-xFe-B(x=1 ~ 5 wt%)合金铸态组织演变及力学性能的影响。研究表明：在Fe含量1 ~ 3 wt%时,合金组织由片层状α相和少量β相组成,当Fe含量增加至4 ~ 5 wt%时,合金组织的组成中β相增加显著,同时随着Fe含量从1 wt%增至5 wt%,析出化合物中Fe元素含量上升,α相晶粒尺寸下降了56.5%;随着Fe含量增加,合金力学性能改变显著,维氏硬度增加了45.7%,抗拉强度由502 MPa增加至834 MPa,但合金塑性下降明显,断面收缩率从30.4%下降至9.5%,断裂伸长率由19.4%下降到7.9%。结果显示,当Fe含量在3 ~ 4 wt%时,合金可以达到强度和塑性的最佳匹配,具有更大的开发潜力。     

Hot deformation behaviors of Fe-microalloyed Ti-6Al-4V based on experiments and calculations

Our previous results have shown that comprehensive mechanical properties of titanium alloys can be effectively improved by addition of Fe[1]. We systematically investigate hot deformation behaviors of Ti-6Al-4V-0.35Fe in this study, which is significant to improve plastic deformation ability of titanium alloys. In experiment, we use a Gleeble 3800 thermo-mechanical simulator to obtain the relationship between thermomechanical parameters and flow stress in a range of temperatures (800-950 °C) and strain rates (0.001-10 s-1). The single-peak profiles of the flow curves indicate that dynamic recrystallization (DRX) mechanism dominates the deformation. TEM analysis indicate that the grain size in DRX changes under different deformation temperatures, and finer grains are formed at relatively lower temperature due to the dynamic globularization. The dislocation walls are formed in subgrain boundaries due to dislocation slipping-climbing. The Avrami-type DRX model and the strain compensated multivariable regression model have been applied to fit the experimental stress-strain data during hot deformation. A comparative study between these two types of constitutive models is conducted to represent the flow behavior. It is found that both models have good accuracy in predicting the flow stress of Ti-6Al-4V-0.35Fe alloy. A processing map based on dynamic material model (DMM) at the strain of 0.8 (steady-state flow stage) has been established to identify the flow instability regions and stability regions. The strain rate range of stability region is 0.001-0.6s-1 which has been expanded compared to the range of 0.0003-0.1s-1 of Ti-6Al-4V. Optimal hot working parameters are confirmed to be 920-950 °C and 0.001-0.005 s-1, and nearly complete DRX has taken place. Our results indicate that hot working property of Fe-microalloyed Ti-6Al-4V is better than that of Ti-6Al-4V alloy in 800-950 °C temperature scale, and processing cost has been decreased.     

高强韧Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe合金低周疲劳性能研究

通过室温下应变控制疲劳试验研究了高强韧Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe合金的低周疲劳性能.结果表明:在高应变幅值下(△εt/2=1.0％,1.2％,1.4％,1.6％),合金的循环应力响应表现为初始循环软化,而后趋于循环稳定;在低应变幅值下(△εt/2=0.6％,0.8％),合金的循环应力响应表现为循环饱和...