2020年第49卷第3期文章目次
2020, 49(3):755-760.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20181094
摘要:
微弧氧化技术是一门新的表面处理技术,在很多领域有着广泛的应用前景,但其结构受限于电解液成分。本文通过在磷酸盐电解液中加入Al2O3陶瓷颗粒,使得在Ti6Al4V钛合金表面的微弧氧化涂层结构和性能得到改性。涂层的结构和性能通过扫描电镜和XRD衍射仪进行表征和测试,涂层的抗高温氧化性能和热震性能通过高温热循环氧化试验和热震试验进行测试。结果表明,通过在电解液中添加Al2O3陶瓷颗粒,涂层由Al2TiO5 and TiO2组成,涂层更为致密,表现出更为优异的抗高温氧化和热震性能。电解液中游动的Al2O3陶瓷颗粒在微弧氧化过程中被吸入到样品表面并进入涂层,涂层的结构和性能得到改性。
微弧氧化技术是一门新的表面处理技术,在很多领域有着广泛的应用前景,但其结构受限于电解液成分。本文通过在磷酸盐电解液中加入Al2O3陶瓷颗粒,使得在Ti6Al4V钛合金表面的微弧氧化涂层结构和性能得到改性。涂层的结构和性能通过扫描电镜和XRD衍射仪进行表征和测试,涂层的抗高温氧化性能和热震性能通过高温热循环氧化试验和热震试验进行测试。结果表明,通过在电解液中添加Al2O3陶瓷颗粒,涂层由Al2TiO5 and TiO2组成,涂层更为致密,表现出更为优异的抗高温氧化和热震性能。电解液中游动的Al2O3陶瓷颗粒在微弧氧化过程中被吸入到样品表面并进入涂层,涂层的结构和性能得到改性。
2020, 49(3):825-832.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20181124
摘要:
本论文研究了新型高强钛合金（Ti-6Al-6Mo-4V）的微观结构和力学性能。分在α/β和β区固溶处理后，在460℃~620℃5个不同温度下时效6h，研究合金的组织与性能之间的关系。结果表明，α/β区固溶时效处理后的性能与β单相区固溶时效处理后相比，α/β区固溶时效处理后合金获得更好的强度和塑性组合。在850℃（α/β区域）固溶处理以及460℃时效后，合金获得最高的强度为1572MPa，伸长率为2.63％；在620℃时效时，合金的伸长率达到最高为11.46％，但强度较低为1201MPa。经过825℃固溶处理，540℃时效后，该合金获得最好的强度（1328MPa）和伸长率（7.58％）匹配。同时，β区溶液处理后的β晶粒较大，时效后形成细小的二次α相 ,导致强度和塑性较差。
本论文研究了新型高强钛合金（Ti-6Al-6Mo-4V）的微观结构和力学性能。分在α/β和β区固溶处理后，在460℃~620℃5个不同温度下时效6h，研究合金的组织与性能之间的关系。结果表明，α/β区固溶时效处理后的性能与β单相区固溶时效处理后相比，α/β区固溶时效处理后合金获得更好的强度和塑性组合。在850℃（α/β区域）固溶处理以及460℃时效后，合金获得最高的强度为1572MPa，伸长率为2.63％；在620℃时效时，合金的伸长率达到最高为11.46％，但强度较低为1201MPa。经过825℃固溶处理，540℃时效后，该合金获得最好的强度（1328MPa）和伸长率（7.58％）匹配。同时，β区溶液处理后的β晶粒较大，时效后形成细小的二次α相 ,导致强度和塑性较差。
2020, 49(3):833-841.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20181130
摘要:
电子束冷床炉熔炼技术是生产航空发动机关键旋转部件用钛合金及钛屑回收利用的一项很有前景的技术。本文研究了Ti-6Al-4V合金在电子束冷床炉熔炼过程中冷床部分熔体的传热、流动和凝固过程。结果表明，冷床部分的熔体被限制在一个非常浅的深度，实验测量约为15mm，熔体速度大约是几厘米每秒。熔体温度随着熔炼功率增加而升高，随着熔炼速率增加而降低。熔池深度随着熔炼功率升高而增加，而熔炼速率对熔池形貌的影响不明显。模拟了不同密度、不同尺寸夹杂物的运动轨迹。结果表明夹杂密度对轨迹影响较大。建立了元素挥发的数学模型，并研究了熔炼工艺参数对铸锭成分的影响。结果表明熔炼温度、熔炼速率和原料配比对铸锭成分均有较大影响。采用工业用电子束冷床炉生产了圆锭，测量了冷床凝壳的形貌并检测了铸锭成分。计算结果与实验结果吻合较好。
电子束冷床炉熔炼技术是生产航空发动机关键旋转部件用钛合金及钛屑回收利用的一项很有前景的技术。本文研究了Ti-6Al-4V合金在电子束冷床炉熔炼过程中冷床部分熔体的传热、流动和凝固过程。结果表明，冷床部分的熔体被限制在一个非常浅的深度，实验测量约为15mm，熔体速度大约是几厘米每秒。熔体温度随着熔炼功率增加而升高，随着熔炼速率增加而降低。熔池深度随着熔炼功率升高而增加，而熔炼速率对熔池形貌的影响不明显。模拟了不同密度、不同尺寸夹杂物的运动轨迹。结果表明夹杂密度对轨迹影响较大。建立了元素挥发的数学模型，并研究了熔炼工艺参数对铸锭成分的影响。结果表明熔炼温度、熔炼速率和原料配比对铸锭成分均有较大影响。采用工业用电子束冷床炉生产了圆锭，测量了冷床凝壳的形貌并检测了铸锭成分。计算结果与实验结果吻合较好。
2020, 49(3):857-861.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019192
摘要:
无
无
2020, 49(3):862-870.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019126
摘要:
炉外铝热反应制备的高钛铁合金由于Al、O含量高，不能直接用于钢水精炼过程。本文研究了高铝高钛铁在钢液精炼过程中的热力学，以及高钛铁中铝和铁含量对钢液精炼过程的影响。结果表明：采用Ti和Al作为复合脱氧剂，在1873K当钢水中的aTi/aAl大于8时，脱氧产物为Ti2O3；但事实上，只有当液态钢中的aTi/aAl值高于10时，Ti2O3才会作为脱氧产物沉淀。采用高铝高钛铁作为脱氧剂，钢水中铝和钛的含量可以满足相关钢的成分要求。随着高钛铁含量的增加，精炼后的铸钢中夹杂物由硅酸盐转变为Ti-Al-Mn复合夹杂物；同时，在这些夹杂物周围形成径向针状铁素体，细化了钢的微观结构。实际系统中的aTi/aAl值为17.78（> 8），与理论结果一致。当钢液中的氧含量高时，控制钢水中aTi/aAl的值是至关重要的。
炉外铝热反应制备的高钛铁合金由于Al、O含量高，不能直接用于钢水精炼过程。本文研究了高铝高钛铁在钢液精炼过程中的热力学，以及高钛铁中铝和铁含量对钢液精炼过程的影响。结果表明：采用Ti和Al作为复合脱氧剂，在1873K当钢水中的aTi/aAl大于8时，脱氧产物为Ti2O3；但事实上，只有当液态钢中的aTi/aAl值高于10时，Ti2O3才会作为脱氧产物沉淀。采用高铝高钛铁作为脱氧剂，钢水中铝和钛的含量可以满足相关钢的成分要求。随着高钛铁含量的增加，精炼后的铸钢中夹杂物由硅酸盐转变为Ti-Al-Mn复合夹杂物；同时，在这些夹杂物周围形成径向针状铁素体，细化了钢的微观结构。实际系统中的aTi/aAl值为17.78（> 8），与理论结果一致。当钢液中的氧含量高时，控制钢水中aTi/aAl的值是至关重要的。
2020, 49(3):871-877.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019054
摘要:
宏观偏析是钛合金铸锭熔炼中面临的一种重要缺陷，严重的宏观偏析将使铸锭在后续热加工过程中产生?斑，从而严重影响产品性能。因此理解宏观偏析的形成机理，进而通过工艺调控来减轻宏观偏析，是钛合金铸锭生产中需要解决的关键问题。本文采用合金凝固的连续介质模型，模拟了钛合金熔炼过程中温度场、流场、溶质场的演化行为，模拟所得溶质元素分布规律与已有实验观测结果一致。通过对模拟结果中宏观偏析形成过程的详细分析以及不同流动情况下偏析程度的对比，揭示了热浮力和溶质浮力引起的自然对流在宏观偏析形成中的作用机制，发现抑制自然对流，可最大程度的减轻铸锭宏观偏析。此外模拟结果还表明，当熔池内流动情况一定时，合金元素在固/液两相中的平衡分配系数决定了该元素的宏观分布规律和偏析程度。
宏观偏析是钛合金铸锭熔炼中面临的一种重要缺陷，严重的宏观偏析将使铸锭在后续热加工过程中产生?斑，从而严重影响产品性能。因此理解宏观偏析的形成机理，进而通过工艺调控来减轻宏观偏析，是钛合金铸锭生产中需要解决的关键问题。本文采用合金凝固的连续介质模型，模拟了钛合金熔炼过程中温度场、流场、溶质场的演化行为，模拟所得溶质元素分布规律与已有实验观测结果一致。通过对模拟结果中宏观偏析形成过程的详细分析以及不同流动情况下偏析程度的对比，揭示了热浮力和溶质浮力引起的自然对流在宏观偏析形成中的作用机制，发现抑制自然对流，可最大程度的减轻铸锭宏观偏析。此外模拟结果还表明，当熔池内流动情况一定时，合金元素在固/液两相中的平衡分配系数决定了该元素的宏观分布规律和偏析程度。
2020, 49(3):878-882.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019229
摘要:
增材制造过程中由于在凝固及随后的冷却阶段易产生残余应力,从而影响部件的成形和使用。在增材过程中引入轧制工序,可望降低宏观残余应力,从而降低部件的变形。本文通过建立Ti-6Al-4V钛合金电弧熔丝增材与层间轧制复合成形过程的有限元模型,研究圆柱形轧辊条件下不同压下量对部件温度、应力、应变及残余应力分布的影响规律。结果表明,层间轧制可显著降低沉积层金属中的残余宏观应力；同时降低对基板的整体应力。采用圆柱形轧辊并增加压下量可显著降低宏观残余应力,还可以通过塑性变形改变材料的微观组织,提高材料性能,为复合增材工艺的优化指明了方向。
增材制造过程中由于在凝固及随后的冷却阶段易产生残余应力,从而影响部件的成形和使用。在增材过程中引入轧制工序,可望降低宏观残余应力,从而降低部件的变形。本文通过建立Ti-6Al-4V钛合金电弧熔丝增材与层间轧制复合成形过程的有限元模型,研究圆柱形轧辊条件下不同压下量对部件温度、应力、应变及残余应力分布的影响规律。结果表明,层间轧制可显著降低沉积层金属中的残余宏观应力；同时降低对基板的整体应力。采用圆柱形轧辊并增加压下量可显著降低宏观残余应力,还可以通过塑性变形改变材料的微观组织,提高材料性能,为复合增材工艺的优化指明了方向。
2020, 49(3):883-889.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019226
摘要:
随着海洋装备的大型化发展及其各项性能的提升，对高均匀超大规格钛合金铸锭的研发有了更加迫切的需求。本文利用MeltFlow模拟获得优化的熔炼工艺，制备出国内第一个12吨级Ti80合金铸锭，并完成2炉稳定性验证。成分检测结果表明，铸锭头、中、尾3点成分极差小于1000ppm，冒口17点成分极差小于3000ppm，成分均匀性与现行5吨级铸锭基本相当。分析冒口径向成分分布规律发现，Al、Nb和Mo元素呈现边部高、心部低，从边部到心部逐渐降低的趋势，而Zr元素的分布规律则与之相反。利用EDS对不同部位晶内和晶界的微区成分分析发现，Nb、Mo元素呈现晶内高、晶界低，而Al、Zr元素呈现晶内低、晶界高的分布规律。其中，Nb、Mo、Zr元素的宏、微观偏析规律基本一致，即随着凝固的进行，固相中Mo、Nb含量逐渐降低，Zr含量逐渐升高。然而，Al元素的宏、微观偏析规律正好相反，分析认为主要是由于Al元素的饱和蒸气压较高，与其他合金元素相比更容易挥发，在长时间、高真空熔炼和溶质再分配的共同作用下，铸锭中的宏、微观偏析规律出现不一致的现象。
随着海洋装备的大型化发展及其各项性能的提升，对高均匀超大规格钛合金铸锭的研发有了更加迫切的需求。本文利用MeltFlow模拟获得优化的熔炼工艺，制备出国内第一个12吨级Ti80合金铸锭，并完成2炉稳定性验证。成分检测结果表明，铸锭头、中、尾3点成分极差小于1000ppm，冒口17点成分极差小于3000ppm，成分均匀性与现行5吨级铸锭基本相当。分析冒口径向成分分布规律发现，Al、Nb和Mo元素呈现边部高、心部低，从边部到心部逐渐降低的趋势，而Zr元素的分布规律则与之相反。利用EDS对不同部位晶内和晶界的微区成分分析发现，Nb、Mo元素呈现晶内高、晶界低，而Al、Zr元素呈现晶内低、晶界高的分布规律。其中，Nb、Mo、Zr元素的宏、微观偏析规律基本一致，即随着凝固的进行，固相中Mo、Nb含量逐渐降低，Zr含量逐渐升高。然而，Al元素的宏、微观偏析规律正好相反，分析认为主要是由于Al元素的饱和蒸气压较高，与其他合金元素相比更容易挥发，在长时间、高真空熔炼和溶质再分配的共同作用下，铸锭中的宏、微观偏析规律出现不一致的现象。
2020, 49(3):890-896.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019201
摘要:
钛合金作为易氧化金属在熔融状态下非常活泼，大尺寸钛铸件在铸造过程中更容易和铸型材料发生界面反应，并对铸件表面质量产生影响。本实验采用氧化钇铸型在真空自耗凝壳炉中浇铸了大尺寸钛合金铸件，并采用SEM、XRD、EDS等方法对不同厚度试样的表层进行了检测和分析，检测结果发现试样表层均存在一定厚度的氧元素扩散层，同时，还发现表层存在一定厚度的组织过渡区，最后，本实验通过酸洗方法对试样表面反应层和组织过渡区进行了有效去除，有效提高了铸件的表面质量。
钛合金作为易氧化金属在熔融状态下非常活泼，大尺寸钛铸件在铸造过程中更容易和铸型材料发生界面反应，并对铸件表面质量产生影响。本实验采用氧化钇铸型在真空自耗凝壳炉中浇铸了大尺寸钛合金铸件，并采用SEM、XRD、EDS等方法对不同厚度试样的表层进行了检测和分析，检测结果发现试样表层均存在一定厚度的氧元素扩散层，同时，还发现表层存在一定厚度的组织过渡区，最后，本实验通过酸洗方法对试样表面反应层和组织过渡区进行了有效去除，有效提高了铸件的表面质量。
2020, 49(3):897-900.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019190
摘要:
对针状Ti–55511近β钛合金进行750 °C热轧和600 °C/1h退火，研究合金在热轧及退火中组织演变及力学性能。结果表明，热轧时，针片α相将发生动态再结晶（DRX），与β相的Burgers取向关系（Burgers orientation relationship）发生破坏，进而形成细小的等轴α相，使合金强度及塑性提高。后续退火过程中，α相通过静态再结晶（SRX）进一步发生球化和长大，次生α相析出，β相发生再结晶，合金的强度提高，塑性降低。在变形初期，针片α相内产生两种孪晶变体（交叉状孪晶），随着α相球化程度增加`，α相内将产生三种孪晶变体（针织状孪晶）。在后续退火过程中，这些孪晶将逐渐缩短，进而分解消失，表现在退火样品中α晶粒内存在纳米级孪晶（孪晶缩短）与层错（孪晶分解）。
对针状Ti–55511近β钛合金进行750 °C热轧和600 °C/1h退火，研究合金在热轧及退火中组织演变及力学性能。结果表明，热轧时，针片α相将发生动态再结晶（DRX），与β相的Burgers取向关系（Burgers orientation relationship）发生破坏，进而形成细小的等轴α相，使合金强度及塑性提高。后续退火过程中，α相通过静态再结晶（SRX）进一步发生球化和长大，次生α相析出，β相发生再结晶，合金的强度提高，塑性降低。在变形初期，针片α相内产生两种孪晶变体（交叉状孪晶），随着α相球化程度增加`，α相内将产生三种孪晶变体（针织状孪晶）。在后续退火过程中，这些孪晶将逐渐缩短，进而分解消失，表现在退火样品中α晶粒内存在纳米级孪晶（孪晶缩短）与层错（孪晶分解）。
2020, 49(3):901-906.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019188
摘要:
本研究采用大塑性变形实现了难变形微纳米颗粒(TiB+La2O3)复合增强Ti-6Al-4V钛合金等通道挤压变形(ECAP),深入研究了大塑性变形温度对复合材料组织演变的影响规律和超细晶形成机制。结果表明,材料经ECAP大变形后易于在基体形成超细晶,变形温度对超细晶形成机制有显著影响。变形温度较低时,易于在基体产生位错塞积和位错缠结；变形温度较高时,发生动态再结晶实现细晶强化,经800 ℃变形后抗拉强度可达1128 MPa,相比未加工时提升了18%。且增强体在界面微区诱发连续动态再结晶,实现晶粒的进一步细化。变形后TiB增强体平均长径比随变形温度的增加而减小,使得增强体与基体极易发生脱粘,无法有效承载,最终造成变形温度对强度影响并不明显；且增强体的脱粘,在基体中形成的孔洞易引发应力集中,造成裂纹萌生,降低材料塑性。
本研究采用大塑性变形实现了难变形微纳米颗粒(TiB+La2O3)复合增强Ti-6Al-4V钛合金等通道挤压变形(ECAP),深入研究了大塑性变形温度对复合材料组织演变的影响规律和超细晶形成机制。结果表明,材料经ECAP大变形后易于在基体形成超细晶,变形温度对超细晶形成机制有显著影响。变形温度较低时,易于在基体产生位错塞积和位错缠结；变形温度较高时,发生动态再结晶实现细晶强化,经800 ℃变形后抗拉强度可达1128 MPa,相比未加工时提升了18%。且增强体在界面微区诱发连续动态再结晶,实现晶粒的进一步细化。变形后TiB增强体平均长径比随变形温度的增加而减小,使得增强体与基体极易发生脱粘,无法有效承载,最终造成变形温度对强度影响并不明显；且增强体的脱粘,在基体中形成的孔洞易引发应力集中,造成裂纹萌生,降低材料塑性。
2020, 49(3):907-915.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019180
摘要:
以等轴组织Ti6242合金为研究对象，采用光学显微镜与扫描电镜两种组织观察手段，结合图像处理软件的自动处理与统计学方法，分析了不同热处理制度下合金组织的精细特征与演变规律。建立了采用体积分数Vα、尺寸Dα、分布密度ρα和聚集程度Eα四个参量来精确定量描述等轴初生α相特征及演化的方式，发现Vα、Dα、ρα和Eα均随固溶温度的升高而减少，Vα和ρα分别满足线性和抛物线规律；Vα的减少速度随温度升高而增加，随时间的延长而降低。随Vα减少，β相中Al元素含量增加，Sn、Zr和Mo三元素含量均降低；四种合金元素在α与β两相中的含量差异变小。850℃与800℃下，β相的[Mo]eq分别落入α+β型和亚稳β型钛合金对应的[Mo]eq区间，水淬后β相分别发生马氏体转变和保留亚稳态。
以等轴组织Ti6242合金为研究对象，采用光学显微镜与扫描电镜两种组织观察手段，结合图像处理软件的自动处理与统计学方法，分析了不同热处理制度下合金组织的精细特征与演变规律。建立了采用体积分数Vα、尺寸Dα、分布密度ρα和聚集程度Eα四个参量来精确定量描述等轴初生α相特征及演化的方式，发现Vα、Dα、ρα和Eα均随固溶温度的升高而减少，Vα和ρα分别满足线性和抛物线规律；Vα的减少速度随温度升高而增加，随时间的延长而降低。随Vα减少，β相中Al元素含量增加，Sn、Zr和Mo三元素含量均降低；四种合金元素在α与β两相中的含量差异变小。850℃与800℃下，β相的[Mo]eq分别落入α+β型和亚稳β型钛合金对应的[Mo]eq区间，水淬后β相分别发生马氏体转变和保留亚稳态。
13 钛合金阀门抗冲击性能分析
2020, 49(3):916-920.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019153
摘要:
本文针对船用钛合金阀门，根据其设备等级和安装位置，按照GJB 1060.1-91《舰船环境条件要求机械环境》规定参数进行抗冲击性能分析。本文以角型截止阀为例，采用响应谱分析方法对其模态和抗冲击性能进行分析，得到钛合金阀门的模态频率和三向应力，采用试验方式对其抗冲击性能进行验证。同时针对同一结构的角型截止阀，采用不同类型的常用材质进行抗冲击分析，得到不同材质对阀门抗冲击性能的影响。结果表明：1）响应谱数值分析方法可为阀门的抗冲击性能提供有效的参考；2）模型受冲击作用时，应力分布受结构影响较大，受材料影响较小，最大应力值受材料影响较大；3）相同结构不同材质的阀门抗冲击性能由高到低依次为TA31、TA2、QAl10-5-5和06Cr19Ni10。本文采用模拟分析和试验验证的方式对阀门的抗冲击性能进行分析研究，为该类阀门的工程化设计提供参考。
本文针对船用钛合金阀门，根据其设备等级和安装位置，按照GJB 1060.1-91《舰船环境条件要求机械环境》规定参数进行抗冲击性能分析。本文以角型截止阀为例，采用响应谱分析方法对其模态和抗冲击性能进行分析，得到钛合金阀门的模态频率和三向应力，采用试验方式对其抗冲击性能进行验证。同时针对同一结构的角型截止阀，采用不同类型的常用材质进行抗冲击分析，得到不同材质对阀门抗冲击性能的影响。结果表明：1）响应谱数值分析方法可为阀门的抗冲击性能提供有效的参考；2）模型受冲击作用时，应力分布受结构影响较大，受材料影响较小，最大应力值受材料影响较大；3）相同结构不同材质的阀门抗冲击性能由高到低依次为TA31、TA2、QAl10-5-5和06Cr19Ni10。本文采用模拟分析和试验验证的方式对阀门的抗冲击性能进行分析研究，为该类阀门的工程化设计提供参考。
2020, 49(3):921-926.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019138
摘要:
利用超声固结试验制备Ti/Al金属层状复合材料,以光学显微镜观察了材料的微观形貌。采用固相-固相反应方式进行原位反应获得了体积分数不同的层状复合材料,通过EDS对Ti/Al原位反应产物进行能谱分析,确定了反应产物的相组成。采取SEM测量反应产物Al3Ti的层间厚度,建立Al3Ti的生成量与反应时间的关系。试验表明,在Ti/Al层状复合材料原位反应过程中,当Al未反应完全时,金属间化合物Al3Ti是唯一产物。在原位反应初期,反应产物积累慢,随着反应时间的推移,反应产物增多且增长速率逐渐增快,反应产物与反应时间呈幂指数函数的关系。
利用超声固结试验制备Ti/Al金属层状复合材料,以光学显微镜观察了材料的微观形貌。采用固相-固相反应方式进行原位反应获得了体积分数不同的层状复合材料,通过EDS对Ti/Al原位反应产物进行能谱分析,确定了反应产物的相组成。采取SEM测量反应产物Al3Ti的层间厚度,建立Al3Ti的生成量与反应时间的关系。试验表明,在Ti/Al层状复合材料原位反应过程中,当Al未反应完全时,金属间化合物Al3Ti是唯一产物。在原位反应初期,反应产物积累慢,随着反应时间的推移,反应产物增多且增长速率逐渐增快,反应产物与反应时间呈幂指数函数的关系。
2020, 49(3):927-932.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019059
摘要:
随着钛合金产业的发展,对于钛合金产品成本的控制成为重要竞争力。钛合金铸锭的成品率与铸锭的表面质量密切相关。本文采用数值模拟方法分析影响铸锭表面质量的因素,借此达到提高铸锭成品率的目的。通过MeltFlow软件对VAR熔炼过程的温度场进行分析,将高温液相与坩埚接触长度与表面质量建立联系。分析得出,从工艺角度考虑,熔炼电流、稳弧电流以及稳弧周期这三个因素对铸锭表面质量有影响,结合实验验证表明,采用较大的熔炼电流、大稳弧电流以及短稳弧周期有利于铸锭表面质量提高,提高成品率。
随着钛合金产业的发展,对于钛合金产品成本的控制成为重要竞争力。钛合金铸锭的成品率与铸锭的表面质量密切相关。本文采用数值模拟方法分析影响铸锭表面质量的因素,借此达到提高铸锭成品率的目的。通过MeltFlow软件对VAR熔炼过程的温度场进行分析,将高温液相与坩埚接触长度与表面质量建立联系。分析得出,从工艺角度考虑,熔炼电流、稳弧电流以及稳弧周期这三个因素对铸锭表面质量有影响,结合实验验证表明,采用较大的熔炼电流、大稳弧电流以及短稳弧周期有利于铸锭表面质量提高,提高成品率。
2020, 49(3):933-938.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019053
摘要:
本文采用声发射技术和高分辨X射线成像技术对SiCf/Ti6242复合材料在热机械疲劳过程中的损伤进行了原位监测。实验中采用同相位梯形波加载来模拟钛基复合材料整体叶环服役时的实际载荷工况,应力变化范围130～1300 MPa,温度变化范围100～500 °C,500 °C时保持最大载荷2 min。实验结果表明,声发射信号主要出现在加载阶段和保载阶段,声发射系统检测到纤维断裂、基体裂纹信号,而在卸载阶段声发射信号非常稀少。利用高分辨X射线成像技术对声发射确认已损伤的样品进行检查,发现试样内部存在连接多个纤维的基体裂纹；在样品裂纹区域,部分断裂纤维的钨芯出现缩颈。声发射技术和高分辨X射线成像技术均表明SiCf/Ti6242复合材料热机械疲劳损伤机制由纤维断裂和基体裂纹共同控制。
本文采用声发射技术和高分辨X射线成像技术对SiCf/Ti6242复合材料在热机械疲劳过程中的损伤进行了原位监测。实验中采用同相位梯形波加载来模拟钛基复合材料整体叶环服役时的实际载荷工况,应力变化范围130～1300 MPa,温度变化范围100～500 °C,500 °C时保持最大载荷2 min。实验结果表明,声发射信号主要出现在加载阶段和保载阶段,声发射系统检测到纤维断裂、基体裂纹信号,而在卸载阶段声发射信号非常稀少。利用高分辨X射线成像技术对声发射确认已损伤的样品进行检查,发现试样内部存在连接多个纤维的基体裂纹；在样品裂纹区域,部分断裂纤维的钨芯出现缩颈。声发射技术和高分辨X射线成像技术均表明SiCf/Ti6242复合材料热机械疲劳损伤机制由纤维断裂和基体裂纹共同控制。
2020, 49(3):939-943.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019046
摘要:
采用相场动力学方法模拟Ti-6Al-4V合金中b→α转变过程，研究钛合金中不同方向的外加剪切应力对α析出相变体形核及微织构形成的影响。模型输入数据来自Pandat热力学与动力学数据库及JmatPro (TTT-Ti)。选取x[101]-y[12-1]-z[-111]坐标系，保持时效温度不变，分别沿(101)[-111]β或(12-1)[-111]β施加不同大小(10, 30及50 MPa)的正反向切应力，考察剪切加载对合金微观组织演化的影响。结果表明：过冷度一定时，随剪切应力增大，析出变体与剪切应力之间的弹性相互作用在相变过程中逐渐起主要作用，对α相变体的选择作用逐渐增强；应力大小一定时，切应力对变体选择的作用强于正应力；沿(101)[-111]β或(12-1)[-111]β方向外加剪切应力，正向切应力分别促进两种与一种α变体的选择，而反向切应力均主要选择一种α变体。因而在b向α转变过程中，切应力更有利于α相微织构的形成。
采用相场动力学方法模拟Ti-6Al-4V合金中b→α转变过程，研究钛合金中不同方向的外加剪切应力对α析出相变体形核及微织构形成的影响。模型输入数据来自Pandat热力学与动力学数据库及JmatPro (TTT-Ti)。选取x[101]-y[12-1]-z[-111]坐标系，保持时效温度不变，分别沿(101)[-111]β或(12-1)[-111]β施加不同大小(10, 30及50 MPa)的正反向切应力，考察剪切加载对合金微观组织演化的影响。结果表明：过冷度一定时，随剪切应力增大，析出变体与剪切应力之间的弹性相互作用在相变过程中逐渐起主要作用，对α相变体的选择作用逐渐增强；应力大小一定时，切应力对变体选择的作用强于正应力；沿(101)[-111]β或(12-1)[-111]β方向外加剪切应力，正向切应力分别促进两种与一种α变体的选择，而反向切应力均主要选择一种α变体。因而在b向α转变过程中，切应力更有利于α相微织构的形成。
2020, 49(3):944-949.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019034
摘要:
超高强韧钛合金是制造超规格航空结构件的骨干材料。本文通过热模拟压缩实验研究了Ti–4.5Al–6.5Mo–2Cr–2.6Nb-2Zr-1Sn钛合金高温变形行为，采用临界条件动力学模型建立高温下动态再结晶体积分数预测模型。本研究取得的阶段性成果将为超大尺寸、复杂形状的关键结构件的集成制造提供有效的理论支撑。
超高强韧钛合金是制造超规格航空结构件的骨干材料。本文通过热模拟压缩实验研究了Ti–4.5Al–6.5Mo–2Cr–2.6Nb-2Zr-1Sn钛合金高温变形行为，采用临界条件动力学模型建立高温下动态再结晶体积分数预测模型。本研究取得的阶段性成果将为超大尺寸、复杂形状的关键结构件的集成制造提供有效的理论支撑。
2020, 49(3):950-955.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019027
摘要:
本研究采用图像分析技术对四种不同方法制备的球形Ti-6Al-4V粉末进行粒形的定量分析，分别测量了粉末的球形度、椭圆率、赘生物指数及粗糙度数据。结果表明：4种方法制备的粉末平均球形度均在90%以上。等离子旋转电极雾化法（PREP）、等离子火炬雾化法（PA）、等离子惰性气体雾化法（PIGA）、电极感应熔炼气雾化法（EIGA）制得粉末球形度依次降低，粗糙度依次增加。PREP、PA、EIGA、PIGA法制得粉末的表面卫星球粘附依次增加。对于PREP法制得粉末，粉末粒径范围越细，球形度越高，平均粗糙度越小。粉末粒形指标的差异与其制备方法的原理有关。采用图像分析技术可以实现对金属粉末粒形指标的科学定量分析。
本研究采用图像分析技术对四种不同方法制备的球形Ti-6Al-4V粉末进行粒形的定量分析，分别测量了粉末的球形度、椭圆率、赘生物指数及粗糙度数据。结果表明：4种方法制备的粉末平均球形度均在90%以上。等离子旋转电极雾化法（PREP）、等离子火炬雾化法（PA）、等离子惰性气体雾化法（PIGA）、电极感应熔炼气雾化法（EIGA）制得粉末球形度依次降低，粗糙度依次增加。PREP、PA、EIGA、PIGA法制得粉末的表面卫星球粘附依次增加。对于PREP法制得粉末，粉末粒径范围越细，球形度越高，平均粗糙度越小。粉末粒形指标的差异与其制备方法的原理有关。采用图像分析技术可以实现对金属粉末粒形指标的科学定量分析。
2020, 49(3):956-961.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019002
摘要:
采用热力耦合方法对Ti-6Al-4V合金进行了多道次热轧模拟，研究了不同道次温度和等效塑性应变的分布特点。模拟结果表明，轧制过程表面温度低于心部的温度，随轧制道次的增加，表面温度整体表现为降低过程，中心温度整体表现为先升高后降低过程。中心位置比表面位置的等效塑性应变大，表面位置与中心位置的等效塑性应变均随变形道次的增加而增大。实验结果表明，随着轧制道次的增加，中心显微组织变形大于表面。中心区域组织易于发生动态球化。
采用热力耦合方法对Ti-6Al-4V合金进行了多道次热轧模拟，研究了不同道次温度和等效塑性应变的分布特点。模拟结果表明，轧制过程表面温度低于心部的温度，随轧制道次的增加，表面温度整体表现为降低过程，中心温度整体表现为先升高后降低过程。中心位置比表面位置的等效塑性应变大，表面位置与中心位置的等效塑性应变均随变形道次的增加而增大。实验结果表明，随着轧制道次的增加，中心显微组织变形大于表面。中心区域组织易于发生动态球化。
2020, 49(3):962-967.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019243
摘要:
本文以Ti6Al4V-DT (TC4-DT)为研究对象，分别对其进行不同方式的固溶、冷却和时效处理，利用金相显微镜、拉伸试验机研究其显微组织、强度和塑性的变化，结果表明：强度和塑性的主要影响因素为固溶温度和冷却方式。在α+β两相区和单相区固溶并在580℃时效8小时，可以分别得到双态组织和片层组织，相变点以下随着固溶温度的提高，初生α相含量明显减少，且强度和塑性在两相区固溶更优；相变点以上固溶时，冷却速率降低会使α相片层粗化，抗拉强度和屈服强度逐渐降低；在两相区固溶α相尺寸随着时效温度升高而增大，在低温时效时，由于α相的弥散强化作用使得合金强度较高。TC4-DT合金在α+β两相区860℃/1.5h固溶，550℃/8h时效处理，在空冷的状态下，可获得合金强度（1017MPa）、塑性（伸长率22%）匹配良好的综合性能。
本文以Ti6Al4V-DT (TC4-DT)为研究对象，分别对其进行不同方式的固溶、冷却和时效处理，利用金相显微镜、拉伸试验机研究其显微组织、强度和塑性的变化，结果表明：强度和塑性的主要影响因素为固溶温度和冷却方式。在α+β两相区和单相区固溶并在580℃时效8小时，可以分别得到双态组织和片层组织，相变点以下随着固溶温度的提高，初生α相含量明显减少，且强度和塑性在两相区固溶更优；相变点以上固溶时，冷却速率降低会使α相片层粗化，抗拉强度和屈服强度逐渐降低；在两相区固溶α相尺寸随着时效温度升高而增大，在低温时效时，由于α相的弥散强化作用使得合金强度较高。TC4-DT合金在α+β两相区860℃/1.5h固溶，550℃/8h时效处理，在空冷的状态下，可获得合金强度（1017MPa）、塑性（伸长率22%）匹配良好的综合性能。
2020, 49(3):968-972.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019214
摘要:
本文使用真空自耗熔炼(VAR)法对Ti70大规格铸锭进行了制备,研究了熔炼速度对易偏析Fe元素成分均匀性的影响。文中使用化学法测试了铸锭的化学成分并与前期试制结果进行对比,使用电子能谱仪对铸锭微区成分进行扫描,使用金相显微镜观察了后续轧制板材的显微组织,并用拉伸试验仪检测了板材的力学性能。结果表明：通过控制熔速保持相对恒定,可有效减少铸锭凝固时固-液共存区宽度,降低Fe元素宏观偏析；同时降低熔速可使共晶相片间距变窄,减轻Fe元素微观偏析趋势。对所制备的铸锭进行后续锻造及板材轧制,其组织性能符合标准要求。
本文使用真空自耗熔炼(VAR)法对Ti70大规格铸锭进行了制备,研究了熔炼速度对易偏析Fe元素成分均匀性的影响。文中使用化学法测试了铸锭的化学成分并与前期试制结果进行对比,使用电子能谱仪对铸锭微区成分进行扫描,使用金相显微镜观察了后续轧制板材的显微组织,并用拉伸试验仪检测了板材的力学性能。结果表明：通过控制熔速保持相对恒定,可有效减少铸锭凝固时固-液共存区宽度,降低Fe元素宏观偏析；同时降低熔速可使共晶相片间距变窄,减轻Fe元素微观偏析趋势。对所制备的铸锭进行后续锻造及板材轧制,其组织性能符合标准要求。
2020, 49(3):973-979.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019202
摘要:
Ti-3Cu表现出良好的力学性能、耐蚀性能及优异的抗菌性能。碱热处理是一种有效的钛合金表面处理方法,它可以提高钛合金的表面生物相容性。本文研究了碱热处理对抗菌钛合金显微组织、表面粗糙度、接触角及抗菌性的影响规律,探讨了碱热处理应用于Ti-3Cu表面生物改性的可能性。研究结果表明：碱热处理后在钛合金表面形成一层钛酸盐凝胶层,表面分布有大量尺寸约100 nm的纳米级微孔,这使得合金的粗糙度降低,但合金表面的亲水性提高。合金表面钛酸盐凝胶层的形成使的合金的抗菌性能由处理前的92%降低到碱热处理后的71%。细菌的粘附实验也证实碱热处理一定程度上降低了合金的抗菌性能。分析认为,表面形成的钛酸盐凝胶层部分阻断了合金中抗菌相Ti2Cu与细菌的接触,因此降低了合金的抗菌效果。
Ti-3Cu表现出良好的力学性能、耐蚀性能及优异的抗菌性能。碱热处理是一种有效的钛合金表面处理方法,它可以提高钛合金的表面生物相容性。本文研究了碱热处理对抗菌钛合金显微组织、表面粗糙度、接触角及抗菌性的影响规律,探讨了碱热处理应用于Ti-3Cu表面生物改性的可能性。研究结果表明：碱热处理后在钛合金表面形成一层钛酸盐凝胶层,表面分布有大量尺寸约100 nm的纳米级微孔,这使得合金的粗糙度降低,但合金表面的亲水性提高。合金表面钛酸盐凝胶层的形成使的合金的抗菌性能由处理前的92%降低到碱热处理后的71%。细菌的粘附实验也证实碱热处理一定程度上降低了合金的抗菌性能。分析认为,表面形成的钛酸盐凝胶层部分阻断了合金中抗菌相Ti2Cu与细菌的接触,因此降低了合金的抗菌效果。
2020, 49(3):980-984.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019193
摘要:
本文针对某增压器台架耐久性考核240小时的直径100mm的TiAl合金涡轮，通过对比分析考核前后涡轮轮毂芯部的微观组织和力学性能，并结合未考核涡轮轮毂取样的高温持久试验结果，评价了TiAl合金增压器涡轮轮毂的耐久性。结果表明，在考核试验后，涡轮轮毂芯部的微观组织、洛氏硬度和室温拉伸强度仍保持考核前的水平；同时，参照该型涡轮服役条件下的高温持久加载后，试样的层片组织仍保持完整，仅只在层片团界析出了体积分数0.5%的等轴γ晶粒。可见，该TiAl涡轮轮毂具有良好的耐久性，能够满足应用要求。
本文针对某增压器台架耐久性考核240小时的直径100mm的TiAl合金涡轮，通过对比分析考核前后涡轮轮毂芯部的微观组织和力学性能，并结合未考核涡轮轮毂取样的高温持久试验结果，评价了TiAl合金增压器涡轮轮毂的耐久性。结果表明，在考核试验后，涡轮轮毂芯部的微观组织、洛氏硬度和室温拉伸强度仍保持考核前的水平；同时，参照该型涡轮服役条件下的高温持久加载后，试样的层片组织仍保持完整，仅只在层片团界析出了体积分数0.5%的等轴γ晶粒。可见，该TiAl涡轮轮毂具有良好的耐久性，能够满足应用要求。
2020, 49(3):985-989.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019169
摘要:
本文研究了两相区不同固溶时间对Ti-5553合金显微组织及拉伸性能影响。利用扫描电镜观察显微组织随固溶时间的演化行为，重点分析了初生α相（αp）比例及长宽比分布随固溶时间的变化规律，利用EBSD技术表征了固溶保温阶段晶界α相及晶内α的晶体取向演化，利用电子万能试验机进行了室温拉伸性能测试。研究结果表明：随着固溶时间增加，初生α比例降低，等轴化程度增加，进一步导致了拉伸塑性变形过程中位错运动的阻力及合金强度降低；晶界αp在固溶过程中是以“热切口”的形式发生截断，然而截断部分晶体取向仍保持一致。
本文研究了两相区不同固溶时间对Ti-5553合金显微组织及拉伸性能影响。利用扫描电镜观察显微组织随固溶时间的演化行为，重点分析了初生α相（αp）比例及长宽比分布随固溶时间的变化规律，利用EBSD技术表征了固溶保温阶段晶界α相及晶内α的晶体取向演化，利用电子万能试验机进行了室温拉伸性能测试。研究结果表明：随着固溶时间增加，初生α比例降低，等轴化程度增加，进一步导致了拉伸塑性变形过程中位错运动的阻力及合金强度降低；晶界αp在固溶过程中是以“热切口”的形式发生截断，然而截断部分晶体取向仍保持一致。
2020, 49(3):990-996.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019167
摘要:
采用真空电子束焊机实现94mm大厚度Ti-6321（名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）钛合金全厚度焊接。通过在接头根部填加锁底结构形式获得良好成形的焊缝，接头呈钉形焊缝形貌，深宽比约为16。结果表明：焊缝区为粗大柱状晶，内部排列针状α"马氏体相及编织状片层α相；熔合区是柱状晶与等轴晶联生；单侧热影响区宽约2 mm左右。焊缝区和热影响区的硬度值比母材低，焊接接头拉伸强度与母材相当，拉伸试样均断于焊缝区。焊缝区和热影响区都有较好的冲击韧性，焊接接头厚度方向上力学性能的均匀性较好。
采用真空电子束焊机实现94mm大厚度Ti-6321（名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）钛合金全厚度焊接。通过在接头根部填加锁底结构形式获得良好成形的焊缝，接头呈钉形焊缝形貌，深宽比约为16。结果表明：焊缝区为粗大柱状晶，内部排列针状α"马氏体相及编织状片层α相；熔合区是柱状晶与等轴晶联生；单侧热影响区宽约2 mm左右。焊缝区和热影响区的硬度值比母材低，焊接接头拉伸强度与母材相当，拉伸试样均断于焊缝区。焊缝区和热影响区都有较好的冲击韧性，焊接接头厚度方向上力学性能的均匀性较好。
2020, 49(3):997-1001.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019163
摘要:
本文以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-V-Fe系合金为研究对象,设计不同的固溶热处理工艺,考察保温时间对合金α片层球化行为的影响,为优化合金的强韧性匹配建立基础。通过对金相组织进行观察以及对片层尺寸进行统计分析,得到了不同固溶时间下α片层尺寸的变化规律球化的演变。结果表明,固溶时间对初生α相球化关系为随着固溶时间的增加,球化率先增加至最高后基本趋于稳定,并利用界面分离、片层终止理论将该现象分析说明。本文的完成为该合金α/β两相区热处理工艺参数的设计及强度韧性匹配合理性提供一定的实验基础。
本文以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-V-Fe系合金为研究对象,设计不同的固溶热处理工艺,考察保温时间对合金α片层球化行为的影响,为优化合金的强韧性匹配建立基础。通过对金相组织进行观察以及对片层尺寸进行统计分析,得到了不同固溶时间下α片层尺寸的变化规律球化的演变。结果表明,固溶时间对初生α相球化关系为随着固溶时间的增加,球化率先增加至最高后基本趋于稳定,并利用界面分离、片层终止理论将该现象分析说明。本文的完成为该合金α/β两相区热处理工艺参数的设计及强度韧性匹配合理性提供一定的实验基础。
2020, 49(3):1002-1008.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019155
摘要:
结合力学性能测试和OM、SEM分析,研究了不同板坯组织类型和热处理工艺对Ti6321合金组织与性能的影响。结果表明：合金板坯的组织类型对轧制板材的组织与性能状态具有显著影响,经相同工艺轧制后,等轴组织板坯形成双态组织板材,魏氏组织板坯形成等轴组织板材。(α+β)/β相变点以下热处理,等轴组织板坯制备板材的纵、横向的屈服强度和抗拉强度低于魏氏组织板坯制备板材对应方向的强度,延伸率和冲击功则相反；随加热温度的升高,不同板坯组织制备的板材其屈服强度、抗拉强度略有降低,冲击功则急剧升高。高于(α+β)/β相变点热处理,两合金的拉伸性能和冲击功均明显下降。合金板材在α+β两相区热处理过程,初生α相对温度的敏感性高于对保温时间的敏感性。随着温度的升高,初生α相含量急剧下降,而次生片状α相含量明显增加。Ti6321合金板材适宜的热处理工艺为：(940℃～980℃)×(2～3)h。
结合力学性能测试和OM、SEM分析,研究了不同板坯组织类型和热处理工艺对Ti6321合金组织与性能的影响。结果表明：合金板坯的组织类型对轧制板材的组织与性能状态具有显著影响,经相同工艺轧制后,等轴组织板坯形成双态组织板材,魏氏组织板坯形成等轴组织板材。(α+β)/β相变点以下热处理,等轴组织板坯制备板材的纵、横向的屈服强度和抗拉强度低于魏氏组织板坯制备板材对应方向的强度,延伸率和冲击功则相反；随加热温度的升高,不同板坯组织制备的板材其屈服强度、抗拉强度略有降低,冲击功则急剧升高。高于(α+β)/β相变点热处理,两合金的拉伸性能和冲击功均明显下降。合金板材在α+β两相区热处理过程,初生α相对温度的敏感性高于对保温时间的敏感性。随着温度的升高,初生α相含量急剧下降,而次生片状α相含量明显增加。Ti6321合金板材适宜的热处理工艺为：(940℃～980℃)×(2～3)h。
2020, 49(3):1009-1014.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019128
摘要:
以Ti粉和Ni粉为原料，对粉末进行预处理后，采用限空间自蔓延工艺制备多孔NiTi合金，对合金的孔隙结构、物相和超弹性等性能进行表征，进一步通过体外细胞毒性试验(MTT法)评价合金的生物安全性能。结果表明：粉末未进行预处理时，难以获得孔隙结构理想的多孔合金。对粉末进行适当的预处理后，可以获得综合性能优异的多孔NiTi合金。合金中的孔隙分布均匀，孔隙形状近球形，孔隙率为34%，孔径为100-500 μm。合金物相由单一的B2相组成，具有良好的超弹性，在2.5%应变和4.0%应变下经过3次循环加载-卸载压缩测试，未产生残余应变。两种应变时对应的抗压强度分别为250 MP和363 MPa，弹性模量为15.4 GPa。MTT试验显示细胞形态体征正常，细胞毒性为1级，表明制备的多孔NiTi合金具有良好的生物安全性能。
以Ti粉和Ni粉为原料，对粉末进行预处理后，采用限空间自蔓延工艺制备多孔NiTi合金，对合金的孔隙结构、物相和超弹性等性能进行表征，进一步通过体外细胞毒性试验(MTT法)评价合金的生物安全性能。结果表明：粉末未进行预处理时，难以获得孔隙结构理想的多孔合金。对粉末进行适当的预处理后，可以获得综合性能优异的多孔NiTi合金。合金中的孔隙分布均匀，孔隙形状近球形，孔隙率为34%，孔径为100-500 μm。合金物相由单一的B2相组成，具有良好的超弹性，在2.5%应变和4.0%应变下经过3次循环加载-卸载压缩测试，未产生残余应变。两种应变时对应的抗压强度分别为250 MP和363 MPa，弹性模量为15.4 GPa。MTT试验显示细胞形态体征正常，细胞毒性为1级，表明制备的多孔NiTi合金具有良好的生物安全性能。
2020, 49(3):1015-1019.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019124
摘要:
钛铝中间合金的低成本制备是当前研究的一个重要方向。本文以TiO2为原料,KClO3为发热剂,Al为还原剂和合金化剂,Ca为深度还原剂,通过金属热还原法制备钛铝中间合金,考察了单位质量热效应、造渣剂配比和还原剂加入量及组成对反应过程稳定性、合金成分及收率的关系。研究表明：用Ca和Al做还原剂时,体系绝热温度分别是2426 K和1806 K,反应制得的钛铝中间合金由TiAl、Ti3Al和少量的Al2O3夹杂相组成,化学分析合金中Ti、Al、O含量分别为58.36%,40.19%和1.41%。
钛铝中间合金的低成本制备是当前研究的一个重要方向。本文以TiO2为原料,KClO3为发热剂,Al为还原剂和合金化剂,Ca为深度还原剂,通过金属热还原法制备钛铝中间合金,考察了单位质量热效应、造渣剂配比和还原剂加入量及组成对反应过程稳定性、合金成分及收率的关系。研究表明：用Ca和Al做还原剂时,体系绝热温度分别是2426 K和1806 K,反应制得的钛铝中间合金由TiAl、Ti3Al和少量的Al2O3夹杂相组成,化学分析合金中Ti、Al、O含量分别为58.36%,40.19%和1.41%。
2020, 49(3):1020-1023.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019122
摘要:
钛是一种重要的战略商用金属,目前钛工业建立在高能耗的Kroll工艺的基础上,而目前电化学法和金属还原法制备单质钛存在不同程度的困境。针对传统钙、镁等金属热还原TiO2制备金属钛粉过程存在的效率低、脱氧不彻底的技术瓶颈,本论文基于TiO2分步还原的热力学平衡特点,结合镁钙电负性差异,提出了多级深度还原法直接制备钛单质的工艺：即TiO2先镁热自蔓延一次还原得到一次还原产物,然后将一次还原产物进行钙热深度还原制备还原钛粉的新思路。采用对比研究法,考察了TiO2镁热还原和钙热还原的热力学及动力学差异；考察了镁热一次还原过程中TiO2机制与还原程度,以及一次还原产物不同深度还原模式下脱氧机制。结果表明：一次还原产物先酸浸预除杂,然后进行钙热深度还原更利于彻底脱氧,最终制备出氧含量仅为0.21%,纯度>99.0%可以商用的钛粉。
钛是一种重要的战略商用金属,目前钛工业建立在高能耗的Kroll工艺的基础上,而目前电化学法和金属还原法制备单质钛存在不同程度的困境。针对传统钙、镁等金属热还原TiO2制备金属钛粉过程存在的效率低、脱氧不彻底的技术瓶颈,本论文基于TiO2分步还原的热力学平衡特点,结合镁钙电负性差异,提出了多级深度还原法直接制备钛单质的工艺：即TiO2先镁热自蔓延一次还原得到一次还原产物,然后将一次还原产物进行钙热深度还原制备还原钛粉的新思路。采用对比研究法,考察了TiO2镁热还原和钙热还原的热力学及动力学差异；考察了镁热一次还原过程中TiO2机制与还原程度,以及一次还原产物不同深度还原模式下脱氧机制。结果表明：一次还原产物先酸浸预除杂,然后进行钙热深度还原更利于彻底脱氧,最终制备出氧含量仅为0.21%,纯度>99.0%可以商用的钛粉。
2020, 49(3):1024-1030.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019118
摘要:
研究了直接连接及梯度连接两种激光直接沉积TC17/TC11双合金的显微组织及力学性能。结果表明，两种连接方式成形的TC17/TC11双合金均可分为TC17均一成分区、过渡区及TC11均一成分区三个区域，沉积态下，两种连接方式均一成分区显微组织呈层带状周期分布；直接连接TC17/TC11双合金过渡区极窄，两侧化学成分、显微组织在交界处发生突变；梯度连接TC17/TC11双合金过渡区厚度较大，过渡区化学成分呈连续过渡，显微组织受成分变化和热循环双重影响，呈介于TC17和TC11中间态显微组织；直接连接过渡区显微硬度存在突变，梯度连接过渡区显微硬度由TC17侧逐渐过渡至TC11侧；直接连接和梯度连接样品室温拉伸断裂位置均在TC11均一成分区，强度接近，延伸率分散度较大。
研究了直接连接及梯度连接两种激光直接沉积TC17/TC11双合金的显微组织及力学性能。结果表明，两种连接方式成形的TC17/TC11双合金均可分为TC17均一成分区、过渡区及TC11均一成分区三个区域，沉积态下，两种连接方式均一成分区显微组织呈层带状周期分布；直接连接TC17/TC11双合金过渡区极窄，两侧化学成分、显微组织在交界处发生突变；梯度连接TC17/TC11双合金过渡区厚度较大，过渡区化学成分呈连续过渡，显微组织受成分变化和热循环双重影响，呈介于TC17和TC11中间态显微组织；直接连接过渡区显微硬度存在突变，梯度连接过渡区显微硬度由TC17侧逐渐过渡至TC11侧；直接连接和梯度连接样品室温拉伸断裂位置均在TC11均一成分区，强度接近，延伸率分散度较大。
2020, 49(3):1031-1037.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019093
摘要:
以HDH-Ti粉和羰基Fe粉为原料,经冷等静压成形后,分别采用真空烧结和氢致相变烧结(HSPT)制备Ti-xFe合金(x=1%、5%、10%和15wt%),对比研究了两种烧结工艺中合金的密度、物相、组织演变过程和显微硬度等性能。结果表明：HSPT合金含有较多的孔隙,密度明显低于真空烧结合金的密度。两种方法制得合金中的β相含量均随Fe含量的增加而增加,且在HSPT制备的Ti-15Fe合金出现了TiFe中间相。HSPT合金制备过程中,H对Fe元素的扩散产生了显著的抑制作用。当Fe≥5%时,脱氢后在合金的β相内部析出短棒状或针状的次生α相,使得β相组织细小。当Fe≥10%时,Fe出现了明显的富集。同时H元素导致β相向粗大化的方向发展,而且随Fe含量的增加,β相粗化越明显。HSPT合金的显微硬度高于真空烧结合金,尤其是α相的显微硬度随Fe含量的增加而线性增大。
以HDH-Ti粉和羰基Fe粉为原料,经冷等静压成形后,分别采用真空烧结和氢致相变烧结(HSPT)制备Ti-xFe合金(x=1%、5%、10%和15wt%),对比研究了两种烧结工艺中合金的密度、物相、组织演变过程和显微硬度等性能。结果表明：HSPT合金含有较多的孔隙,密度明显低于真空烧结合金的密度。两种方法制得合金中的β相含量均随Fe含量的增加而增加,且在HSPT制备的Ti-15Fe合金出现了TiFe中间相。HSPT合金制备过程中,H对Fe元素的扩散产生了显著的抑制作用。当Fe≥5%时,脱氢后在合金的β相内部析出短棒状或针状的次生α相,使得β相组织细小。当Fe≥10%时,Fe出现了明显的富集。同时H元素导致β相向粗大化的方向发展,而且随Fe含量的增加,β相粗化越明显。HSPT合金的显微硬度高于真空烧结合金,尤其是α相的显微硬度随Fe含量的增加而线性增大。
2020, 49(3):1038-1044.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019049
摘要:
本文研究了不同温度的固溶和时效工艺对TC6钛合金显微组织和性能的影响。结果表明：800~840 oC固溶后,合金由初生α相和亚稳β相组成,两相随着温度升高而长大,合金强度和塑性略有上升；880 oC固溶后,亚稳β相依然保留到室温,然而在拉伸过程中出现应力诱变斜方马氏体α″相,导致了双屈服现象；920~960 oC固溶后,初生α相减少,大量的细针状斜方马氏体α″相在亚稳β相上析出,强度上升塑性下降；当超过β相变点固溶后,主要由粗大针状六方马氏体α￠相组成,强度下降同时拉伸为脆性断裂。对于固溶样品经过不同温度时效处理,主要变化过程是亚稳β相分解为次生α相及其长大的过程,300 oC时效后,相比固溶态强度上升塑性下降,亚稳β相中弥散析出次生α相及少量的ω相；当时效温度升高到400 oC,强度继续上升接近最大值但塑性最差；500 oC时效后,强度最高然而合金元素充分扩散塑性得到提升；550 oC时效后,强度有所下降但塑性明显提升,此时具有较佳的强塑性匹配；600~700 oC时效后,初生α相聚集长大并且含量增加,次生α相在β基体上析出且逐渐长大为层片状,强度下降塑性进一步提升。
本文研究了不同温度的固溶和时效工艺对TC6钛合金显微组织和性能的影响。结果表明：800~840 oC固溶后,合金由初生α相和亚稳β相组成,两相随着温度升高而长大,合金强度和塑性略有上升；880 oC固溶后,亚稳β相依然保留到室温,然而在拉伸过程中出现应力诱变斜方马氏体α″相,导致了双屈服现象；920~960 oC固溶后,初生α相减少,大量的细针状斜方马氏体α″相在亚稳β相上析出,强度上升塑性下降；当超过β相变点固溶后,主要由粗大针状六方马氏体α￠相组成,强度下降同时拉伸为脆性断裂。对于固溶样品经过不同温度时效处理,主要变化过程是亚稳β相分解为次生α相及其长大的过程,300 oC时效后,相比固溶态强度上升塑性下降,亚稳β相中弥散析出次生α相及少量的ω相；当时效温度升高到400 oC,强度继续上升接近最大值但塑性最差；500 oC时效后,强度最高然而合金元素充分扩散塑性得到提升；550 oC时效后,强度有所下降但塑性明显提升,此时具有较佳的强塑性匹配；600~700 oC时效后,初生α相聚集长大并且含量增加,次生α相在β基体上析出且逐渐长大为层片状,强度下降塑性进一步提升。
2020, 49(3):1045-1050.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019038
摘要:
运用有限元技术模拟了两辊斜轧穿孔法制备Ti80合金无缝管坯的三维热力耦合过程。仿真结果能动态显示坯料从咬入到稳定穿孔再到穿出三个阶段复杂的塑性成形过程,并能辅助分析中心孔腔的形成机理以及坯料在穿孔阶段各物理场量的分布。结果表明：坯料刚接触顶头时,中心金属存在明显塑性变形,结合中心线上的应力状态为(+, -, +),判断中心孔腔的形成为拉应力下的塑性开裂。在穿孔过程中,应变分布沿轴向呈U1+W+2U2,沿径向为片层状,最终毛管等效应变可达5-11；坯料外表面与导盘接触区的应变速率为0.71~3.6s-1,而与轧辊接触区高达4.6~26s-1,大的应变速率有助于塑性成形过程；顶头前坯料温度最高,与穿孔工具接触的区域温度略有降低,但都处于单相区。基于有限元优化的工艺条件,在实验轧机上顺利穿制出Ti80合金无缝管坯,其显微组织展现为单一的魏氏组织形态,且由于变形剧烈,从外表面到中间层再到内表面均为等轴细小的β动态再结晶晶粒；力学性能测试表明穿孔管坯强度和塑性均满足指标要求。
运用有限元技术模拟了两辊斜轧穿孔法制备Ti80合金无缝管坯的三维热力耦合过程。仿真结果能动态显示坯料从咬入到稳定穿孔再到穿出三个阶段复杂的塑性成形过程,并能辅助分析中心孔腔的形成机理以及坯料在穿孔阶段各物理场量的分布。结果表明：坯料刚接触顶头时,中心金属存在明显塑性变形,结合中心线上的应力状态为(+, -, +),判断中心孔腔的形成为拉应力下的塑性开裂。在穿孔过程中,应变分布沿轴向呈U1+W+2U2,沿径向为片层状,最终毛管等效应变可达5-11；坯料外表面与导盘接触区的应变速率为0.71~3.6s-1,而与轧辊接触区高达4.6~26s-1,大的应变速率有助于塑性成形过程；顶头前坯料温度最高,与穿孔工具接触的区域温度略有降低,但都处于单相区。基于有限元优化的工艺条件,在实验轧机上顺利穿制出Ti80合金无缝管坯,其显微组织展现为单一的魏氏组织形态,且由于变形剧烈,从外表面到中间层再到内表面均为等轴细小的β动态再结晶晶粒；力学性能测试表明穿孔管坯强度和塑性均满足指标要求。
2020, 49(3):1051-1057.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019018
摘要:
利用占位体烧结法在不同的占位体粒径、体积分数以及不同的烧结温度、时间条件下制备出泡沫钛。采用光学金相、扫描电镜等对泡沫钛的孔隙结构进行分析；通过室温压缩实验对泡沫钛的力学性能进行评价。结果表明,泡沫钛孔隙横截面呈圆形,纵截面呈椭圆形,其孔隙率与占位体体积分数的差值随占位体粒径、体积分数的增加、烧结温度的升高、时间的延长呈升高的变化趋势,同时,烧结温度越高,所制备的泡沫钛孔壁越致密。与传统的泡沫材料不同,泡沫钛应力-应变关系曲线并没有明显的应力平台,压缩强度和弹性模量随孔隙率的增加呈下降的变化趋势,当孔隙率为67.6%时,压缩强度和弹性模量分别达到14.4MPa和1.17GPa。压缩强度随孔径的增大呈先升高再降低的变化趋势,而弹性模量随孔径的增加基本不变,当孔径达到1.15-1.53mm时,其压缩强度和弹性模量分别达到48.9MPa和1.72GPa。
利用占位体烧结法在不同的占位体粒径、体积分数以及不同的烧结温度、时间条件下制备出泡沫钛。采用光学金相、扫描电镜等对泡沫钛的孔隙结构进行分析；通过室温压缩实验对泡沫钛的力学性能进行评价。结果表明,泡沫钛孔隙横截面呈圆形,纵截面呈椭圆形,其孔隙率与占位体体积分数的差值随占位体粒径、体积分数的增加、烧结温度的升高、时间的延长呈升高的变化趋势,同时,烧结温度越高,所制备的泡沫钛孔壁越致密。与传统的泡沫材料不同,泡沫钛应力-应变关系曲线并没有明显的应力平台,压缩强度和弹性模量随孔隙率的增加呈下降的变化趋势,当孔隙率为67.6%时,压缩强度和弹性模量分别达到14.4MPa和1.17GPa。压缩强度随孔径的增大呈先升高再降低的变化趋势,而弹性模量随孔径的增加基本不变,当孔径达到1.15-1.53mm时,其压缩强度和弹性模量分别达到48.9MPa和1.72GPa。
2020, 49(3):1068-1074.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019011
摘要:
通过对钛粉表面修饰聚乙烯醇，利用交联反应使纳米金刚石（NDs）均匀分布在球形钛粉末表面，然后采用放电等离子烧结技术成功制备了网状结构分布的纳米金刚石增强钛基复合材料。研究了不同NDs含量对复合材料组织结构、导热性能与压缩性能的影响。结果表明，部分NDs与Ti原位反应生成了TiC，其与残留的NDs呈三维网络状分布在TA1纯钛基体中，网络尺寸为100-200 μm。导热测试结果表明，随着增强相含量的增加，复合材料的热导率呈下降趋势；压缩实验表明Ti-1.0wt%NDs复合材料有较优异的性能，强度提高的同时仍然保持了高塑性。材料断裂时主要是沿网状结构界面处断裂，几百微米尺寸的网状结构起到加固梁的作用，而网络状内部存在着大量纯钛晶粒仍保持较低的硬度和良好的塑性，从而有效的调和了钛基复合材料强度和塑性的矛盾。
通过对钛粉表面修饰聚乙烯醇，利用交联反应使纳米金刚石（NDs）均匀分布在球形钛粉末表面，然后采用放电等离子烧结技术成功制备了网状结构分布的纳米金刚石增强钛基复合材料。研究了不同NDs含量对复合材料组织结构、导热性能与压缩性能的影响。结果表明，部分NDs与Ti原位反应生成了TiC，其与残留的NDs呈三维网络状分布在TA1纯钛基体中，网络尺寸为100-200 μm。导热测试结果表明，随着增强相含量的增加，复合材料的热导率呈下降趋势；压缩实验表明Ti-1.0wt%NDs复合材料有较优异的性能，强度提高的同时仍然保持了高塑性。材料断裂时主要是沿网状结构界面处断裂，几百微米尺寸的网状结构起到加固梁的作用，而网络状内部存在着大量纯钛晶粒仍保持较低的硬度和良好的塑性，从而有效的调和了钛基复合材料强度和塑性的矛盾。
2020, 49(3):1075-1082.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019006
摘要:
采用高能球磨-放电等离子烧结技术制备了Ti-18Mo、Ti-18Mo-0.5Si、Ti-18Mo-1Si和Ti-18Mo-2Si四种合金，研究了Si含量对合金微观结构、相组成的影响和700℃和800℃空气中合金的氧化行为。结果表明：烧结合金中主要由Ti（Mo）固溶体组成，添加Si元素合金出现了Mo5Si3相。在700℃和800℃空气中分别氧化100h后，合金表面主要有TiO2、TiO、MoO2和MoO3相，添加Si元素的合金氧化后还出现了SiO2相。4种合金在700℃下的氧化增重明显小于800℃下的氧化增重，Ti-18Mo-0.5Si合金在700℃和800℃下平均氧化速率分别为0.09g·m-2·h-1和0.10g·m-2·h-1，其抗氧化性明显优于其他合金。
采用高能球磨-放电等离子烧结技术制备了Ti-18Mo、Ti-18Mo-0.5Si、Ti-18Mo-1Si和Ti-18Mo-2Si四种合金，研究了Si含量对合金微观结构、相组成的影响和700℃和800℃空气中合金的氧化行为。结果表明：烧结合金中主要由Ti（Mo）固溶体组成，添加Si元素合金出现了Mo5Si3相。在700℃和800℃空气中分别氧化100h后，合金表面主要有TiO2、TiO、MoO2和MoO3相，添加Si元素的合金氧化后还出现了SiO2相。4种合金在700℃下的氧化增重明显小于800℃下的氧化增重，Ti-18Mo-0.5Si合金在700℃和800℃下平均氧化速率分别为0.09g·m-2·h-1和0.10g·m-2·h-1，其抗氧化性明显优于其他合金。
2020, 49(3):1083-1089.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190532
摘要:
利用XRD、OM和SEM等手段研究和分析了冷变形和时效热处理对TB9钛合金组织和性能的影响。结果表明：随变形量的增大，在合金棒材横截面形成旋涡状组织，而沿纵截面形成纤维状组织；合金径向和轴向的显微硬度均随着变形量的增大而增大；合金450oC/8h/AC时效热处理后由α相和β相组成，且随变形量的增大，合金室温拉伸强度增加，塑性降低；同时冷变形过程中引入的位错等缺陷为时效过程中α相的析出提供形核位置，使α相无析出区消失，α相尺寸达到纳米级；合金70% 冷变形样品经时效热处理后最高抗拉强度可达1809MPa，此时还有4% 的延伸率，断裂方式为韧性断裂和脆性断裂混合模式。
利用XRD、OM和SEM等手段研究和分析了冷变形和时效热处理对TB9钛合金组织和性能的影响。结果表明：随变形量的增大，在合金棒材横截面形成旋涡状组织，而沿纵截面形成纤维状组织；合金径向和轴向的显微硬度均随着变形量的增大而增大；合金450oC/8h/AC时效热处理后由α相和β相组成，且随变形量的增大，合金室温拉伸强度增加，塑性降低；同时冷变形过程中引入的位错等缺陷为时效过程中α相的析出提供形核位置，使α相无析出区消失，α相尺寸达到纳米级；合金70% 冷变形样品经时效热处理后最高抗拉强度可达1809MPa，此时还有4% 的延伸率，断裂方式为韧性断裂和脆性断裂混合模式。
2020, 49(3):1090-1099.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019244
摘要:
本文综述了钛合金及其他合金在深海极端腐蚀环境下的现有研究成果,总结了深海环境下腐蚀特征及应力腐蚀开裂、低周疲劳及高压蠕变等主要腐蚀破坏形式,指明上方海水的高静水压造成深海装备等的腐蚀失效和缺陷对于深海空间站等大型装备的安全性等至关重要。深海腐蚀的电极反应受到深海高静水压的影响的与普通水溶液腐蚀大为不同,值得深入研究。另一方面,对近期利用材料计算工程方法对于深海极端环境下腐蚀过程的模拟进行了介绍和总结,并总结了自主研发的专用深海腐蚀模拟装置的发展现状。基于钛合金在深海会发生的应力腐蚀开裂、低周疲劳、高静水压力导致的高压压缩蠕变及相应的电极反应方面研究,指明了我国深海环境下钛合金腐蚀研究的主要问题和未来亟待解决的相关问题。
本文综述了钛合金及其他合金在深海极端腐蚀环境下的现有研究成果,总结了深海环境下腐蚀特征及应力腐蚀开裂、低周疲劳及高压蠕变等主要腐蚀破坏形式,指明上方海水的高静水压造成深海装备等的腐蚀失效和缺陷对于深海空间站等大型装备的安全性等至关重要。深海腐蚀的电极反应受到深海高静水压的影响的与普通水溶液腐蚀大为不同,值得深入研究。另一方面,对近期利用材料计算工程方法对于深海极端环境下腐蚀过程的模拟进行了介绍和总结,并总结了自主研发的专用深海腐蚀模拟装置的发展现状。基于钛合金在深海会发生的应力腐蚀开裂、低周疲劳、高静水压力导致的高压压缩蠕变及相应的电极反应方面研究,指明了我国深海环境下钛合金腐蚀研究的主要问题和未来亟待解决的相关问题。
2020, 49(3):1100-1104.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.17Ti2019209
摘要:
钛合金以其高比强度、优良的耐海水腐蚀性能,成为未来船舶选材的热点。本文主要针对海水管路用钛合金的材料选用、焊接技术、弯管技术、腐蚀防护以及防海生物污损等方面的研究工作进行分析,以期推动钛合金在船舶海水管路的推广和应用。
钛合金以其高比强度、优良的耐海水腐蚀性能,成为未来船舶选材的热点。本文主要针对海水管路用钛合金的材料选用、焊接技术、弯管技术、腐蚀防护以及防海生物污损等方面的研究工作进行分析,以期推动钛合金在船舶海水管路的推广和应用。
2020, 49(3):749-754.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20181104
摘要:
本文研究了CeO2在CeF3–LiF–BaF2熔盐中的溶解机理,并采用钼金属电极研究了生成的Ce(III)在CeF3–LiF–BaF2熔盐中的电化学行为。通过循环伏安曲线、计时电流法、恒电位电解法研究了Ce(III)的电解还原机理,并采用XRD、SEM、EDS对溶解反应产物和电解产物进行了物相、成分和微观组织分析。结果表明：CeO2通过可与CeF3反应生成CeOF进而溶解于CeF3–LiF–BaF2熔盐中,CeOF可被直接电解还原生成金属Ce,Ce(III)在Mo电极上的电化学反应是一个单步的三电子可逆过程,反应受扩散控制。
本文研究了CeO2在CeF3–LiF–BaF2熔盐中的溶解机理,并采用钼金属电极研究了生成的Ce(III)在CeF3–LiF–BaF2熔盐中的电化学行为。通过循环伏安曲线、计时电流法、恒电位电解法研究了Ce(III)的电解还原机理,并采用XRD、SEM、EDS对溶解反应产物和电解产物进行了物相、成分和微观组织分析。结果表明：CeO2通过可与CeF3反应生成CeOF进而溶解于CeF3–LiF–BaF2熔盐中,CeOF可被直接电解还原生成金属Ce,Ce(III)在Mo电极上的电化学反应是一个单步的三电子可逆过程,反应受扩散控制。
2020, 49(3):761-768.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20180995
摘要:
本文利用化学共沉淀法制备Zn<sub><sup>2+</sup></sub>共掺的Ce:GAGG陶瓷粉体。研究了Zn<sub><sup>2+</sup></sub>共掺的Ce:GAGG陶瓷前驱粉体的TG/DTA和FTIR曲线；分析了不同煅烧温度对Ce:GAGG陶瓷粉体相、形貌和颗粒度分布的影响；系统研究了Zn<sub><sup>2+</sup></sub>含量对Ce:GAGG陶瓷粉体光致发光,辐射发光,激发光谱和荧光寿命的影响。研究表明：前驱粉体在883℃的相组成为GdAlO<sub>3</sub>相和GAGG相；前驱粉体在煅烧温度为900℃时,完全转化为GAGG相；当煅烧温度为1200℃时,GAGG颗粒尺寸控制在20nm~60nm,分布均匀；随着 Zn<sub><sup>2+</sup></sub>含量的变化,光致发光和辐射发光强度也相应变化,特别的,当Zn<sub><sup>2+</sup></sub>含量为0.4mol%时,光致发光和辐射发光强度达到最大值；随着Zn<sub><sup>2+</sup></sub>掺杂含量的上升,荧光寿命出现下降的趋势。因此,Zn<sub><sup>2+</sup></sub>含量对Ce:GAGG陶瓷粉体的辐射发光具有明显的影响,对降低荧光寿命具有积极的作用,对于提高GAGG闪烁材料的快速响应具有重要意义。
本文利用化学共沉淀法制备Zn<sub><sup>2+</sup></sub>共掺的Ce:GAGG陶瓷粉体。研究了Zn<sub><sup>2+</sup></sub>共掺的Ce:GAGG陶瓷前驱粉体的TG/DTA和FTIR曲线；分析了不同煅烧温度对Ce:GAGG陶瓷粉体相、形貌和颗粒度分布的影响；系统研究了Zn<sub><sup>2+</sup></sub>含量对Ce:GAGG陶瓷粉体光致发光,辐射发光,激发光谱和荧光寿命的影响。研究表明：前驱粉体在883℃的相组成为GdAlO<sub>3</sub>相和GAGG相；前驱粉体在煅烧温度为900℃时,完全转化为GAGG相；当煅烧温度为1200℃时,GAGG颗粒尺寸控制在20nm~60nm,分布均匀；随着 Zn<sub><sup>2+</sup></sub>含量的变化,光致发光和辐射发光强度也相应变化,特别的,当Zn<sub><sup>2+</sup></sub>含量为0.4mol%时,光致发光和辐射发光强度达到最大值；随着Zn<sub><sup>2+</sup></sub>掺杂含量的上升,荧光寿命出现下降的趋势。因此,Zn<sub><sup>2+</sup></sub>含量对Ce:GAGG陶瓷粉体的辐射发光具有明显的影响,对降低荧光寿命具有积极的作用,对于提高GAGG闪烁材料的快速响应具有重要意义。
2020, 49(3):769-777.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20170192
摘要:
用共沉淀法制备了四种CeO2基储氧材料,并用X射线衍射(XRD),Raman,N2吸附-脱附(BET方法),H2程序升温还原(H2-TPR),氧脉冲技术,X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)表征了其物理化学性质。XRD结果表明在CeO2 和CeO2-Al2O3 (CA)中只能检测到宽的CeO2 的特征峰,而CeO2-ZrO2 (CZ) 和 CeO2-ZrO2-Al2O3 (CZA)中检测到了Ce0.75Zr0.25O2 相,在所有的CeO2基储氧材料中都形成了均匀的固溶体。XPS结果表明三价铈和四价铈共存于CZ,CA和CZA的表面,而在纯CeO2中几乎检测不到三价铈的存在。CZA表现出了最佳的织构性能,高的储氧量(OSC)和优异的热稳定性。另外,为了阐释四个样品的差异,本文提出了一种新的观点：Al3+可能插入了萤石结构的间隙或者高度分散在固溶体中。CZA固溶体可能是由间隙型固溶体和置换型固溶体混合组成的,这一点由CA和CZA中存在两种不同的氧物种或者两种类型的氧通道可以证明。然而,关于这个观点的详细证据还不够充分,需要继续进行深入的研究。
用共沉淀法制备了四种CeO2基储氧材料,并用X射线衍射(XRD),Raman,N2吸附-脱附(BET方法),H2程序升温还原(H2-TPR),氧脉冲技术,X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)表征了其物理化学性质。XRD结果表明在CeO2 和CeO2-Al2O3 (CA)中只能检测到宽的CeO2 的特征峰,而CeO2-ZrO2 (CZ) 和 CeO2-ZrO2-Al2O3 (CZA)中检测到了Ce0.75Zr0.25O2 相,在所有的CeO2基储氧材料中都形成了均匀的固溶体。XPS结果表明三价铈和四价铈共存于CZ,CA和CZA的表面,而在纯CeO2中几乎检测不到三价铈的存在。CZA表现出了最佳的织构性能,高的储氧量(OSC)和优异的热稳定性。另外,为了阐释四个样品的差异,本文提出了一种新的观点：Al3+可能插入了萤石结构的间隙或者高度分散在固溶体中。CZA固溶体可能是由间隙型固溶体和置换型固溶体混合组成的,这一点由CA和CZA中存在两种不同的氧物种或者两种类型的氧通道可以证明。然而,关于这个观点的详细证据还不够充分,需要继续进行深入的研究。
2020, 49(3):778-786.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20181049
摘要:
通过对不同Sn含量的ZM81合金的微观组织和力学性能的测得，研究了Sn在ZM81合金中的存在形式和作用机制及不同添加量对合金显微组织和力学性能的影响。研究结果表明：Sn元素主要以Mg2Sn共晶相形式存在，能够细化铸态组织；热挤压过程中，Sn添加能够起到抑制动态再结晶和晶粒细化的作用；T6处理，尤其是双级时效，能显著提升挤压态合金的力学性能，其中ZM81-4Sn合金具有最佳的综合力学性能，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为416MPa、393MPa和4.1%。实验合金高强度主要源于MgZn2和Mg2Sn析出相的双重时效强化效果；相比单级时效，双级时效态合金的析出相细小弥散，因此其力学性能更优。
通过对不同Sn含量的ZM81合金的微观组织和力学性能的测得，研究了Sn在ZM81合金中的存在形式和作用机制及不同添加量对合金显微组织和力学性能的影响。研究结果表明：Sn元素主要以Mg2Sn共晶相形式存在，能够细化铸态组织；热挤压过程中，Sn添加能够起到抑制动态再结晶和晶粒细化的作用；T6处理，尤其是双级时效，能显著提升挤压态合金的力学性能，其中ZM81-4Sn合金具有最佳的综合力学性能，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为416MPa、393MPa和4.1%。实验合金高强度主要源于MgZn2和Mg2Sn析出相的双重时效强化效果；相比单级时效，双级时效态合金的析出相细小弥散，因此其力学性能更优。
2020, 49(3):787-796.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20181039
摘要:
本研究旨在设计和制备一种新型的中子和γ射线辐射屏蔽复合材料。基于蒙特卡罗模拟,含不同W质量分数(40~70%)的新型(W+B)/6061Al复合材料首次采用球磨法和SPS加热轧制法制备,并对其组织和力学性能进行了研究。实验结果显示,轧制之后,W和B颗粒均匀分布于基体中,而且W/Al界面以固溶体的形式呈现出良好的冶金结合。复合材料的物相主要包括W和Al。EBSD结果表明,W颗粒具有促进动态再结晶(DRX)成核、限制晶粒长大和降低6061Al基体织构的作用。拉伸试验表明,W含量为50 wt.%的复合材料强度最高,塑性较好。结合模拟结果,该组分的复合材料性能达到了实际应用要求。(W+B)/6061Al复合材料的强化机理包括位错强化和载荷传递效应。
本研究旨在设计和制备一种新型的中子和γ射线辐射屏蔽复合材料。基于蒙特卡罗模拟,含不同W质量分数(40~70%)的新型(W+B)/6061Al复合材料首次采用球磨法和SPS加热轧制法制备,并对其组织和力学性能进行了研究。实验结果显示,轧制之后,W和B颗粒均匀分布于基体中,而且W/Al界面以固溶体的形式呈现出良好的冶金结合。复合材料的物相主要包括W和Al。EBSD结果表明,W颗粒具有促进动态再结晶(DRX)成核、限制晶粒长大和降低6061Al基体织构的作用。拉伸试验表明,W含量为50 wt.%的复合材料强度最高,塑性较好。结合模拟结果,该组分的复合材料性能达到了实际应用要求。(W+B)/6061Al复合材料的强化机理包括位错强化和载荷传递效应。
2020, 49(3):797-810.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20180033
摘要:
采用拉伸测试,结合XRD、TEM、SEM和EBSD等物相和微观结构表征,研究了单独添加Cr、Mn、Zr、Ti对Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金第二相(特别是AlCuYb相)析出、基体再结晶行为和拉伸沿晶断裂的影响。研究结果表明：在同时添加Yb和Cu的铝合金中,微米级、粗大AlCuYb相的析出难以避免。但有趣的是,进一步添加Mn的合金中,由于析出了亚微米的Al20Cu2Mn3相,可有效减少粗大AlCuYb相,在四种合金中形成的粗大相的数量最少。Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金中添加Zr,可析出纳米级 Al3(Yb, Zr)弥散相,有效抑制结晶,但是AlCuYb相的形成消耗Yb元素,降低了二次共格Al3(Yb, Zr)弥散相的析出,此外粗大AlCuYb相颗粒诱发局部再结晶,一定程度降低了合金的强度。T6态 Al-Zn-Mg-Cu-Yb-Zr和Al-Zn-Mg-Cu-Yb-Mn合金经固溶后仍保持未再结晶纤维状结构,小角度再结晶分数高达50%以上,平均晶粒尺寸降至2~7 μm。相比之下,添加Cr或Ti的Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金形成的均匀的再结晶晶粒,大角度再结晶分数高达80%,平均晶粒尺寸为40-96 μm。断裂时,尺寸1~3 μm的初生Al2CuMg相(而非粗大AlCuYb相)优先诱发断裂,裂纹沿析出相连续、粗大且无沉淀析出相宽化的大角度再结晶晶界或原始晶界扩展。
采用拉伸测试,结合XRD、TEM、SEM和EBSD等物相和微观结构表征,研究了单独添加Cr、Mn、Zr、Ti对Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金第二相(特别是AlCuYb相)析出、基体再结晶行为和拉伸沿晶断裂的影响。研究结果表明：在同时添加Yb和Cu的铝合金中,微米级、粗大AlCuYb相的析出难以避免。但有趣的是,进一步添加Mn的合金中,由于析出了亚微米的Al20Cu2Mn3相,可有效减少粗大AlCuYb相,在四种合金中形成的粗大相的数量最少。Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金中添加Zr,可析出纳米级 Al3(Yb, Zr)弥散相,有效抑制结晶,但是AlCuYb相的形成消耗Yb元素,降低了二次共格Al3(Yb, Zr)弥散相的析出,此外粗大AlCuYb相颗粒诱发局部再结晶,一定程度降低了合金的强度。T6态 Al-Zn-Mg-Cu-Yb-Zr和Al-Zn-Mg-Cu-Yb-Mn合金经固溶后仍保持未再结晶纤维状结构,小角度再结晶分数高达50%以上,平均晶粒尺寸降至2~7 μm。相比之下,添加Cr或Ti的Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金形成的均匀的再结晶晶粒,大角度再结晶分数高达80%,平均晶粒尺寸为40-96 μm。断裂时,尺寸1~3 μm的初生Al2CuMg相(而非粗大AlCuYb相)优先诱发断裂,裂纹沿析出相连续、粗大且无沉淀析出相宽化的大角度再结晶晶界或原始晶界扩展。
2020, 49(3):811-818.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190788
摘要:
本文系统地研究了稀土Ce对HMn64-8-5-1.5合金显微组织及摩擦磨损性能的影响。研究表明,稀土Ce在熔炼过程中起到脱氧、脱硫、除氢和除杂的作用,可以净化合金基体,使晶粒尺寸显著细化。摩擦磨损实验表明,稀土Ce能明显改善材料的摩擦磨损性能,添加0.2wt%Ce时,较无Ce的合金磨损量减小了25%。添加0.2wt%Ce后,合金的主要磨损形式从严重的黏着磨损转变为磨粒磨损。结合两种摩擦磨损模型对合金的磨损机理进行了深入分析,添加稀土Ce前后合金的磨损机制发生变化的主要原因是Ce的去除杂质、细化晶粒的作用,使合金本身的表面强度、极限变形值增大。
本文系统地研究了稀土Ce对HMn64-8-5-1.5合金显微组织及摩擦磨损性能的影响。研究表明,稀土Ce在熔炼过程中起到脱氧、脱硫、除氢和除杂的作用,可以净化合金基体,使晶粒尺寸显著细化。摩擦磨损实验表明,稀土Ce能明显改善材料的摩擦磨损性能,添加0.2wt%Ce时,较无Ce的合金磨损量减小了25%。添加0.2wt%Ce后,合金的主要磨损形式从严重的黏着磨损转变为磨粒磨损。结合两种摩擦磨损模型对合金的磨损机理进行了深入分析,添加稀土Ce前后合金的磨损机制发生变化的主要原因是Ce的去除杂质、细化晶粒的作用,使合金本身的表面强度、极限变形值增大。
2020, 49(3):819-824.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20180035
摘要:
本文研究了时效时间对热处理后的2024-O铝合金试件的拉伸性能及断口影响。采用室温拉伸方法，研究了2024-O态铝合金经过热处理后不同时效时间试件的应力-应变曲线、屈服强度、抗拉强度，建立了能够预测应力的本构方程，并且通过观察断口，分析了不同时效时间对材料组织的影响。试验结果表明：随着时效时间的延长，试件逐渐强化，到某一时刻达到峰值，屈服强度、抗拉强度下降；应用SEM扫面电镜观察到断口处有大量韧窝，为韧性断裂，而且随着自然时效时间增长，试件断口的韧窝越来越少，塑性越来越差；建立了2024铝合金在自然时效下强化的本构方程,该模型能够较好地预测材料在自然时效下的应力。
本文研究了时效时间对热处理后的2024-O铝合金试件的拉伸性能及断口影响。采用室温拉伸方法，研究了2024-O态铝合金经过热处理后不同时效时间试件的应力-应变曲线、屈服强度、抗拉强度，建立了能够预测应力的本构方程，并且通过观察断口，分析了不同时效时间对材料组织的影响。试验结果表明：随着时效时间的延长，试件逐渐强化，到某一时刻达到峰值，屈服强度、抗拉强度下降；应用SEM扫面电镜观察到断口处有大量韧窝，为韧性断裂，而且随着自然时效时间增长，试件断口的韧窝越来越少，塑性越来越差；建立了2024铝合金在自然时效下强化的本构方程,该模型能够较好地预测材料在自然时效下的应力。
2020, 49(3):842-848.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20181132
摘要:
使用新的制备方法成功制备了功能梯度WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金。冷压成型所需的压制压力需要保持在15 MPa，在这个压力下WC-Co和WC-Fe-Ni层的烧结收缩率相同，制备的双层合金没有分层和裂纹等不利现象出现。采用X射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）等实验手段研究了双层合金的相组成与微观结构，发现合金中没有η或者石墨相的存在，而且，WC-Co和WC-Fe-Ni层间的界面处结合良好。同时，在WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金的界面处有明显的连续变化的 Fe, Ni 和 Co 成分梯度，两层间的成分梯度导致界面附近的硬度梯度的形成。制备的功能梯度WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金同时高的硬度、耐磨性和韧性。
使用新的制备方法成功制备了功能梯度WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金。冷压成型所需的压制压力需要保持在15 MPa，在这个压力下WC-Co和WC-Fe-Ni层的烧结收缩率相同，制备的双层合金没有分层和裂纹等不利现象出现。采用X射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）等实验手段研究了双层合金的相组成与微观结构，发现合金中没有η或者石墨相的存在，而且，WC-Co和WC-Fe-Ni层间的界面处结合良好。同时，在WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金的界面处有明显的连续变化的 Fe, Ni 和 Co 成分梯度，两层间的成分梯度导致界面附近的硬度梯度的形成。制备的功能梯度WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金同时高的硬度、耐磨性和韧性。
2020, 49(3):849-856.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20181154
摘要:
采用Ti-8.5Si、Ti-33Cr和Ti-30V-3Mo钎料实现了钛锆钼(TZM)合金的高温真空钎焊连接,借助SEM、EDS及润湿性试验和抗剪试验等分析试验方法,研究了钛基钎料高温钎焊TZM及钎焊接头经高温热循环后的热稳定性。结果表明,Ti-8.5Si、Ti-33Cr在1520℃/6min的工艺条件下良好润湿TZM,润湿角分别为10°和9°,Ti-8.5Si钎料的铺展面积大于Ti-33Cr钎料的铺展面积,Ti-30V-3Mo钎料在1680℃/8min的条件下在TZM板上的润湿角为5°。Ti-8.5Si/TZM接头界面形成(Ti,Mo)固溶体,钎缝中心由(Ti,Mo)固溶体和Ti5Si3相组成。Ti-33Cr/TZM接头界面形成(Ti,Mo)固溶体,钎缝中心由(βTi,Cr)固溶体和αTi+(αTi+αTiCr2)共晶组成。Ti-30V-3Mo/TZM接头,钎缝区主要由(βTi,V)固溶体和αTi组成,界面区由Ti与Mo形成(Ti,Mo)固溶体。三种钎料钎焊TZM,均形成固溶体钎焊接头而实现钎料与TZM的冶金结合,钎焊接头强度分别为135.8MPa(Ti-8.5Si)、132MPa(Ti-33Cr)和131MPa(Ti-30V-3Mo)。Ti-8.5Si/TZM、Ti-33Cr/TZM接头经过1200℃/60min没有观察到明显的晶间渗入和母材溶蚀,界面固溶体结合形式无变化。Ti-30V-3Mo/TZM接头经过1550℃/60min热循环后,观察到1个晶粒深度的晶间腐蚀,没有明显的母材溶蚀现象,且界面依然保持固溶体结合形式。三种钛基钎料可实现TZM的高温钎焊,依靠界面固溶体实现冶金结合,经高温长时间热循环后钎焊接头组织性能稳定,发生晶间渗入敏感性低,为TZM的高温应用连接提供理论与试验指导。
采用Ti-8.5Si、Ti-33Cr和Ti-30V-3Mo钎料实现了钛锆钼(TZM)合金的高温真空钎焊连接,借助SEM、EDS及润湿性试验和抗剪试验等分析试验方法,研究了钛基钎料高温钎焊TZM及钎焊接头经高温热循环后的热稳定性。结果表明,Ti-8.5Si、Ti-33Cr在1520℃/6min的工艺条件下良好润湿TZM,润湿角分别为10°和9°,Ti-8.5Si钎料的铺展面积大于Ti-33Cr钎料的铺展面积,Ti-30V-3Mo钎料在1680℃/8min的条件下在TZM板上的润湿角为5°。Ti-8.5Si/TZM接头界面形成(Ti,Mo)固溶体,钎缝中心由(Ti,Mo)固溶体和Ti5Si3相组成。Ti-33Cr/TZM接头界面形成(Ti,Mo)固溶体,钎缝中心由(βTi,Cr)固溶体和αTi+(αTi+αTiCr2)共晶组成。Ti-30V-3Mo/TZM接头,钎缝区主要由(βTi,V)固溶体和αTi组成,界面区由Ti与Mo形成(Ti,Mo)固溶体。三种钎料钎焊TZM,均形成固溶体钎焊接头而实现钎料与TZM的冶金结合,钎焊接头强度分别为135.8MPa(Ti-8.5Si)、132MPa(Ti-33Cr)和131MPa(Ti-30V-3Mo)。Ti-8.5Si/TZM、Ti-33Cr/TZM接头经过1200℃/60min没有观察到明显的晶间渗入和母材溶蚀,界面固溶体结合形式无变化。Ti-30V-3Mo/TZM接头经过1550℃/60min热循环后,观察到1个晶粒深度的晶间腐蚀,没有明显的母材溶蚀现象,且界面依然保持固溶体结合形式。三种钛基钎料可实现TZM的高温钎焊,依靠界面固溶体实现冶金结合,经高温长时间热循环后钎焊接头组织性能稳定,发生晶间渗入敏感性低,为TZM的高温应用连接提供理论与试验指导。
2020, 49(3):1058-1067.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190171
摘要:
为了降低WC-12Co耐磨涂层的摩擦系数，采用四种制粉工艺（湿法球磨、湿法搅拌、烧结破碎、喷雾造粒）将石墨烯复合于WC-12Co粉末中，基于爆炸喷涂技术制备了石墨烯自润滑耐磨涂层。借助SEM、EDS、Raman等手段分析了不同制粉工艺对获得粉末及涂层中石墨烯的组织形貌、物相组成。采用显微硬度计、万能拉伸机研究了涂层的力学性能。采用UMT-2摩擦磨损试验机研究了涂层的摩擦磨损性能。结果表明，喷雾造粒工艺可实现更多的石墨烯在WC-12Co颗粒表面的均匀、紧密粘附，涂层内部石墨烯含量较高，且仍以透明状、薄层状态嵌合在组织内部，结合强度约68MPa，硬度约940HV0.3，石墨烯涂层摩擦系数降低约25%，石墨烯在摩擦过程中不断裸露于磨痕表面，在微区内形成润滑膜，起到较好的自润滑、减磨效果。
为了降低WC-12Co耐磨涂层的摩擦系数，采用四种制粉工艺（湿法球磨、湿法搅拌、烧结破碎、喷雾造粒）将石墨烯复合于WC-12Co粉末中，基于爆炸喷涂技术制备了石墨烯自润滑耐磨涂层。借助SEM、EDS、Raman等手段分析了不同制粉工艺对获得粉末及涂层中石墨烯的组织形貌、物相组成。采用显微硬度计、万能拉伸机研究了涂层的力学性能。采用UMT-2摩擦磨损试验机研究了涂层的摩擦磨损性能。结果表明，喷雾造粒工艺可实现更多的石墨烯在WC-12Co颗粒表面的均匀、紧密粘附，涂层内部石墨烯含量较高，且仍以透明状、薄层状态嵌合在组织内部，结合强度约68MPa，硬度约940HV0.3，石墨烯涂层摩擦系数降低约25%，石墨烯在摩擦过程中不断裸露于磨痕表面，在微区内形成润滑膜，起到较好的自润滑、减磨效果。
