钛合金专刊2015-2017

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本辑钛合金虚拟专刊集合了2015~2017年在金属学报发表的17篇文章,内容涉及多种制备方法的钛合金的组织和力学性能、疲劳行为、抗氧化性能、摩擦性能等,基本反映了近年来我国钛合金研究领域的主要成果。欢迎阅读、引用和转发!

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1. 熔模铸造条件下Ti6Al4V合金铸件与陶瓷型壳间界面换热系数研究*
邵珩,李岩,南海,许庆彦
金属学报    2015, 51 (8): 976-984.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00037
录用日期: 2015-06-16

摘要117)   HTML8)    PDF (1438KB)(809)   

建立了Ti6Al4V合金铸件/铸型界面换热系数(h)的一维反算模型, 从数学及数值模拟的角度研究了型壳热物性参数和热电偶定位等参数对h计算的影响, 分析了不同参数影响的不同特点, 据此对型壳热物性参数和热电偶定位位置等进行了修正, 提高了h反算精度. 修正计算参数后的反算结果表明, Ti6Al4V合金熔模铸造条件下, h的变化可分为4个阶段: (1) 铸件为液态, h维持约440 W/(m2K); (2) 铸件表面生成完整凝固层, 此阶段h下降近60%; (3) 凝固层不断增厚至铸件凝固, 此阶段h下降接近峰值的20%; (4) 铸件凝固后, h随温度缓慢下降. 在三维模型中对反算得到的h进行了验证, 得到的模拟温度与实测温度基本吻合, 表明反算得到的h较为准确, 可以应用于Ti6Al4V合金熔模铸造过程的数值模拟中.

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2. 电子束功率对TC4合金刚性拘束热自压连接、接头组织和力学性能的影响
邓云华,关桥,陶军,吴冰,王西昌
金属学报    2015, 51 (9): 1111-1120.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00105
录用日期: 2015-07-21

摘要113)   HTML3)    PDF (6815KB)(787)   

以电子束为热源, 采用不同的束流功率对TC4钛合金进行刚性拘束热自压连接, 测试分析了连接接头界面焊合质量、组织和力学性能. 同时, 在实验基础上对刚性拘束热自压连接热应力应变过程进行有限元数值分析, 实验研究和数值模拟相结合分析了束流功率对连接接头界面焊合质量以及组织和性能的影响规律. 结果表明, 束流功率增加, 加热温度、高温区停留时间、高温区体积以及界面金属压缩塑性变形随之增加, 促进界面两侧原子扩散, 界面焊合质量提高. 束流功率显著影响连接接头组织, 小束流功率加热时能获得组织均匀的连接接头, 大束流功率加热时, 界面加热区产生针状a相, 且a/a相界取向差主要位于59.85°附近, 呈现出在同一b相晶粒内部产生的特点. 连接接头的力学性能受界面焊合率和加热区组织共同影响, 束流较小时, 界面未焊合缺陷多, 结合强度低; 束流较大时, 加热区发生显著组织转变, 晶粒粗大, 接头塑性差. 束流功率为330 W时, 接头组织均匀且界面焊合质量好, 获得综合力学性能优异的连接接头.

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3. TC4钛合金搅拌摩擦焊厚度方向的显微组织*
姬书得,温泉,马琳,李继忠,张利
金属学报    2015, 51 (11): 1391-1399.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00099
录用日期: 2015-08-18

摘要131)   HTML4)    PDF (1769KB)(600)   

采用搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)实现了2 mm厚TC4钛合金连接, 结合数值模拟结果研究了温度分布对焊缝沿厚度方向显微组织特征和接头力学性能的影响规律. 结果表明, 当焊接速率为50 mm/min且转速为300 r/min时, 靠近焊缝表面的材料温度峰值超过b相变温度. 随着到焊缝表面距离的增加温度峰值逐渐变小, 靠近焊缝底部的材料未超过b相变温度. 在温度峰值超过b相变的焊缝区域, 显微组织是由初生a相、板条状a相和剩余转变b相组成, 且焊缝内部的板条状a相尺寸大于近表面区域. 焊缝底部受到动态再结晶作用, 呈现尺寸较小的ab双相组织, 且b相在a相基体上分布更均匀. 当转速提高到350 r/min时, 沿焊缝厚度方向上的超过b相变温度的区域变宽, 板条状a相所占面积和尺寸增大, 组织中出现板条状a相丛. 取向不同的板条状a相散乱分布于组织中, 阻碍裂纹扩展, 利于接头的抗拉强度.

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4. TA15钛合金薄壁焊接件热处理校形研究*
李永奎, 权纯逸, 陆善平, 焦清洋, 李世键, 孙忠海
金属学报    2016, 52 (3): 281-288.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00314
摘要44)   HTML0)    PDF (2310KB)(259)   

针对飞机关键薄壁件焊接过程中产生的"簸箕"变形问题, 采用有限元结合实验验证的方法进行了焊接变形及焊后热处理校形的研究. 通过实验获得了材料的基础物性及高温蠕变行为, 验证了焊接及焊后热处理有限元模型. 利用可靠的热处理有限元模型进行了热处理工艺优化. 结果表明, 筋条焊后开槽导致沿筋条方向的应力释放及筋条-长衍焊点是导致"簸箕"变形的主要原因; 升高温度,增加载荷及延长保温时间能够改善热处理校形的效果, 并据此制定了面向工程应用的TA15钛合金薄壁构件的热处理工艺图.

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5. 超疏水钛合金表面在人工海水中的摩擦性能*
连峰,臧路苹,项秋宽,张会臣
金属学报    2016, 52 (5): 592-598.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00342
录用日期: 2016-03-04

摘要45)   HTML1)    PDF (1149KB)(478)   

为提高钛合金在海水中的摩擦性能, 采用激光加工技术分别制备具有网格和点阵微结构的超疏水Ti6Al4V合金表面. 采用HSR-2M高速往复摩擦试验机研究其在人工海水介质中的摩擦学行为, 并与水介质比较. 结果表明, 超疏水Ti6Al4V合金表面的摩擦系数和磨损量(体积)均显著小于Ti6Al4V基体. 海水介质中, 与空白样相比, 点阵和网格表面的摩擦系数分别减小了17.8%和11.7%, 磨损量分别减小了36.8%和57.5%. 超疏水Ti6Al4V合金表面在海水介质中的摩擦系数小于水介质中, 磨损量大于水介质中. 超疏水钛合金表面的制备显著提高了钛合金在海水中的摩擦性能.

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6. 钛合金切削用Ti1-xAlxN涂层的制备及其切削性能研究
隋旭东 李国建 王强 秦学思 周向葵 王凯
金属学报    doi:10.11900/0412.1961.2015.0454
录用日期: 2016-01-05

7. TC17钛合金电子束焊接接头的显微组织与力学性能研究*
于冰冰,陈志勇,赵子博,刘建荣,王清江,李晋炜
金属学报    2016, 52 (7): 831-841.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00602
录用日期: 2016-05-04

摘要41)   HTML1)    PDF (1470KB)(683)   

研究了TC17钛合金电子束焊接接头的显微组织与力学性能. 研究表明, 焊接接头由熔合区(FZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)组成. 焊态下, FZ由β柱状晶组成, HAZ由针状α/α'相、等轴α相和亚稳态β相组成. 在630~800 ℃范围焊后热处理后, FZ和HAZ中的亚稳态β相分解, 生成α相和β相, 随着焊后热处理温度的升高, FZ和HAZ中的α相板条厚度增加, 晶界α相发生粗化. 焊态和800 ℃, 2 h, A.C.焊后热处理条件下, FZ在450 ℃高温拉伸过程中会析出次生α相板条, 导致熔合区抗拉强度升高, 屈强比降低. 焊接接头的拉伸断裂优先发生于屈服强度低的区域, 接头各区域屈服强度相差不大时, 最终断裂发生在硬度较低的区域. TC17钛合金电子束焊接接头的最佳焊后热处理制度为630 ℃, 2 h, A.C., 此时焊接接头具有良好的拉伸强度和塑性匹配.

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8. 不同表面改性强化处理对TC4钛合金表面完整性及疲劳性能的影响*
高玉魁
金属学报    2016, 52 (8): 915-923.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00628
录用日期: 2016-05-31

摘要57)   HTML15)    PDF (1313KB)(1033)   

对TC4钛合金进行了喷丸强化、激光冲击强化和低塑性抛光3种表面强化改性处理, 测定了不同表面改性处理下的表面粗糙度、显微硬度、残余应力及微观组织, 研究了不同表面改性处理下的旋转弯曲疲劳性能, 利用SEM观察分析了疲劳断口特征, 提出了表面强化改性机理和效果评价方法. 结果表明, 喷丸强化、激光冲击强化和低塑性抛光3种表面强化改性处理后, TC4钛合金的旋转弯曲疲劳寿命提高, 疲劳强度也大幅度提升, 而且疲劳裂纹位于表面强化层下的次表层; 对于未表面强化改性处理的TC4钛合金, 疲劳裂纹位于表面. 基于位错理论, 对次表层裂纹萌生抗力和疲劳强度进行了分析并给出了定量分析模型.

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9. Ti/Al异种合金接头原位拉伸应变场及断裂行为的研究*
许志武,马志鹏,闫久春,张誉喾,张旭昀
金属学报    2016, 52 (11): 1403-1412.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00103
录用日期: 2016-07-14

摘要33)   HTML0)    PDF (1387KB)(619)   

采用Zn-Al钎料超声辅助钎焊连接了钛合金与铝合金, 利用OM, SEM, EDS和TEM分析了钎焊接头的微观组织. 利用数字图像相关(DIC)方法分析了Ti/Al钎焊接头在原位拉伸过程中应变变化及裂纹扩展情况. 结果表明, 在钛合金/钎缝界面上有2种化合物, 分别为Ti7Al5Si12和TiAl3, 而在铝合金/钎缝界面上存在一层Zn-Al扩散层, 钎缝组织由富Zn相和Zn-Al共析组织构成. 原位拉伸过程中, 钎焊接头整体应变较低, 局部高应变区呈条纹状形态分布, 接头没有发生明显屈服过程, 只有弹性变形和塑性变形阶段. 在应变相对较大的富Zn相内部产生最大应力且出现裂纹, 裂纹曲析扩展最后呈锯齿状断裂.

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10. 热处理对钛合金表面激光原位合成高铌Ti-Al金属间化合物涂层高温抗氧化行为的影响
刘洪喜,李正学,张晓伟,谭军,蒋业华
金属学报    2017, 53 (2): 201-210.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00119
录用日期: 2016-12-15

摘要37)   HTML3)    PDF (7254KB)(721)   

采用激光原位合成技术在BT3-1钛合金表面制备了高铌Ti-Al金属间化合物复合涂层。根据XRD谱分析涂层的物相结构,通过GSL-1600X型管式炉测试950 ℃循环氧化条件下热处理前后基材和涂层单位面积的氧化增重,绘制氧化动力学曲线,并据此比较涂层和基材的抗氧化性能。借助OM和SEM观察了氧化前后涂层的微观形貌,探讨了其高温抗氧化机理。结果表明,热处理前的涂层主要由单质Nb、金属间化合物γ-TiAl、α2-Ti3Al和Ti3Al2等物相组成,热处理后的涂层,单质Nb固溶到γ-TiAl和α2-Ti3Al中,同时形成了新相Ti3AlNb0.3,涂层近似为γ-TiAl+α2-Ti3Al双相组织。热处理前涂层的氧化动力学曲线介于线性规律和抛物线规律之间,其高温抗氧化性能比钛合金基材提高了2倍。热处理后涂层的氧化动力学曲线近似呈抛物线规律,且氧化速率小,其高温抗氧化性能比钛合金基材提高了20倍以上。950 ℃循环氧化条件下,涂层氧化层表面形成了连续致密的胶囊状氧化物,氧化层紧密粘附在未氧化涂层部分,氧化层对涂层起到了良好保护作用,而钛合金基材表面则形成疏松多孔的絮状氧化物,氧化层从基材处碎裂、剥落。Nb的合金化显著改善了Ti-Al金属间化合物的高温抗氧化性能。

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11. TC16钛合金辊模拉丝过程中的显微组织和力学性能
张志强,董利民,关少轩,杨锐
金属学报    2017, 53 (4): 415-422.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00424
录用日期: 2016-12-23

摘要45)   HTML1)    PDF (5376KB)(524)   

利用XRD、SEM和TEM等手段分析了TC16钛合金辊模拉丝变形过程中的相组成和显微组织的变化情况,并对不同应变的辊模拉丝变形丝材进行了室温拉伸性能与显微硬度测试。结果表明,在辊模拉丝变形过程中,TC16钛合金丝材主要由α相和β相组成,部分β相发生应力诱发α''马氏体相变;随着辊模拉丝真应变的增加,TC16钛合金丝材的显微组织明显细化,当真应变达到2.14时,横截面和纵截面中的α相和β相纤维状组织厚度均约为0.3 μm,两相衍射斑点已经近似环状,表明两相显微组织也明显细化;随着辊模拉丝真应变的增加,TC16钛合金丝材的抗拉强度和显微硬度大幅提高,当真应变达到2.14时,TC16钛合金丝材的显微硬度由初始的266 HV提高到365 HV。

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12. 半固态烧结法制备高强韧新型双尺度结构钛合金
康利梅,杨超,李元元
金属学报    2017, 53 (4): 440-446.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00491
摘要44)   HTML1)    PDF (5247KB)(797)   

提出了一种基于共晶转变形成液相的半固态烧结新技术,通过调控共晶转变的相组成(或共晶液相的含量),利用半固态烧结共晶复相系非晶粉末成功制备出高强韧新型双尺度结构Ti52.1Fe21.7Co8.2Nb12.2Al5.8合金。其双尺度结构为超细晶bcc β-Ti和超细晶bcc Ti(Fe, Co)构成的层片共晶基体包围细晶等轴状fcc Ti2(Co, Fe)第二相,与目前文献报道的双尺度结构明显不同。该双尺度结构合金具有超高的屈服强度(2050 MPa)和较大的塑性应变(19.7%),综合性能优于目前文献报道的双尺度结构钛合金。

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13. 熔融6061/4043铝合金在TC4钛合金表面的反应润湿
靳鹏,隋然,李富祥,俞伟元,林巧力
金属学报    2017, 53 (4): 479-486.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00289
录用日期: 2017-01-24

摘要37)   HTML0)    PDF (5282KB)(749)   

利用改良座滴法研究了高真空条件下熔融6061和4043铝合金在600~700 ℃分别与TC4钛合金的润湿行为。研究表明,Al/Ti体系属于典型的反应润湿,且铺展动力学可由反应产物控制模型描述,整个润湿过程分为先非线性铺展和后线性铺展2个阶段,即:铝合金中微量的Si元素在界面上产生了明显的富集并在界面上形成了富Si的Ti7Al5Si12;铺展过程中Ti7Al5Si12的分解对应于非线性铺展阶段,Ti7Al5Si12分解的同时伴随Al3Ti形成,对应于线性铺展阶段;润湿过程中出现了明显的前驱膜并伴随着较好的最终润湿性。

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14. 累积叠轧TC4钛合金的组织演化与力学性能
刘国怀, 李天瑞, 徐莽, 付天亮, 李勇, 王昭东, 王国栋
金属学报    2017, 53 (9): 1038-1046.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00035
录用日期: 2017-06-21

摘要55)   HTML5)    PDF (10362KB)(1189)   

采用累积叠轧技术制备具有超细晶组织的TC4钛合金,考察了叠轧工艺对界面结合和微观组织的影响规律以及该过程中α ?β两相钛合金的变形机制,分析了叠轧工艺对TC4合金力学性能的影响。结果表明,TC4合金累积叠轧过程中需要足够的加热温度(近于720 ℃)、防氧化处理以及多层数大下压量的轧制工艺,才能获得良好的界面结合,但是界面处存在O含量较高的硬化层。随着叠轧温度和叠轧层数的增加,TC4板材的结合界面逐渐消失并具有较高的结合强度。累积叠轧过程是协同变形和剪切变形综合作用的结果,即变形初期晶界β相由长条状转变为短片状且晶界发生滑移,而在变形程度较高时组织中有大量的剪切带,此过程存在大量局部变形以适应大塑性变形过程。变形组织中存在局部等轴组织(约300 nm)和拉长的变形结构(约400 nm),其中等轴组织是由于变形温度、局部剪切变形和局部过热作用而发生再结晶形成的。叠轧板材在厚度方向存在组织性能不均匀现象,在结合界面处硬度较高,随着叠轧层数的增加硬度逐渐趋于一致。同时随着叠轧层数的增加,TC4合金的抗拉强度逐渐增加,在叠轧16层后抗拉强度达到1325 MPa,塑性降低为5.4%。在叠轧层数较少时,断裂过程表现为韧性断裂,随着叠轧层数的增加,断口形貌逐渐转变为韧窝断口和准解理断口的综合形貌。

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15. TC17合金超高周疲劳裂纹萌生机理
刘汉青, 何超, 黄志勇, 王清远
金属学报    2017, 53 (9): 1047-1054.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00561
录用日期: 2017-06-13

摘要57)   HTML19)    PDF (6606KB)(1337)   

通过实验研究了2种频率(110 Hz和20 kHz)循环载荷作用下航空发动机叶片材料TC17合金的超高周疲劳失效行为,分析了不同失效形式下的裂纹萌生机理。结果表明,TC17合金在2种实验载荷频率下均存在表面和内部萌生裂纹诱发疲劳失效2种失效形式,表面萌生裂纹诱发的疲劳失效主要是由加工缺陷和循环载荷作用下试样表面滑移处应力集中引起的横向裂纹所致,内部萌生裂纹诱发的疲劳失效是由循环载荷作用下材料初生α相的滑移断裂所致。失效机理的不同使得材料的应力-疲劳寿命(S-N)曲线呈双线性,载荷频率对TC17合金的裂纹萌生形式和萌生机理的影响不显著。建立了基于薄弱取向晶粒区域尺寸的疲劳强度预测模型,模型预测值与实验值吻合较好。

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16. 连续点式锻压激光快速成形TC11钛合金的组织和力学性能
席明哲, 吕超, 吴贞号, 尚俊英, 周玮, 董荣梅, 高士友
金属学报    2017, 53 (9): 1065-1074.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00005
录用日期: 2017-06-14

摘要67)   HTML3)    PDF (14857KB)(775)   

采用连续点式锻压激光快速成形技术进行了TC11钛合金厚壁零件成形实验,利用OM、SEM等手段研究了连续点式锻压激光快速成形TC11钛合金的组织和力学性能。结果表明,TC11钛合金试样内部的等轴晶晶粒尺寸均匀,平均晶粒尺寸48.7 μm。等轴晶的晶界α相连续,晶内是初生α相板条+β转变组织组成的双态组织。在连续点式锻压激光快速成形过程中,连续点式锻压时,TC11钛合金厚壁零件的表层变形区深度约为1.5 mm,变形量为20%。在连续点式锻压冷变形TC11钛合金上表面沉积新层过程中,当激光束扫描经过时,熔池热影响区中约1 mm厚(4层)冷变形TC11钛合金被加热到钛合金β转变温度之上,并在0.86 s内完成再结晶。力学性能结果表明,与TC11钛合金锻件相比,连续点式锻压激光快速成形的TC11钛合金的强度高,而塑性低。断口形貌分析表明,晶间断裂是导致TC11钛合金塑性差的主要原因。

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17. Ti-6Al-4V合金熔模铸造过程中的固态相变微观组织演变的数值模拟
邵珩, 李岩, 南海, 许庆彦
金属学报    2017, 53 (9): 1140-1152.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00579
录用日期: 2017-06-08

摘要65)   HTML4)    PDF (8603KB)(1081)   

针对Ti-6Al-4V合金熔模铸造固态相变过程中的微观组织演变,对α相片层的生长,采用了多组元Zener-Hillert模型计算片层边缘生长速率,根据溶质守恒,建立片层宽面的生长速率多元溶质扩散生长模型,模拟得到了多个α相集束竞争生长的微观组织。模拟结果表明,Ti-6Al-4V合金熔模铸造固态相变过程中,α相片层边缘生长受杂质元素影响较小,而在宽面上,杂质元素含量引起的过冷度占总过冷度的比例约为0.45;Ti-6Al-4V合金熔模铸造固态相变潜热约为70 kJ/kg,与JMatPro软件中的数据吻合较好。模拟得到的组织形态结果与金相组织吻合较好,模拟得到的生长速率与实验估测的速率相当。

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