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航空用TC21钛合金变截面模锻件的显微组织和力学性能不均匀性分析

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金属学报 2024年第3期60卷 333-347页

作者：杨杰黄森森尹慧翟瑞志马英杰向伟罗恒军雷家峰杨锐中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司德阳618000

针对β锻制备的航空用TC21钛合金变截面模锻件的组织和力学性能不均匀性,采用Deform软件模拟、OM、SEM、XRD、EBSD、拉伸和示波冲击,对不同等效应变处的显微组织和力学性能进行表征,对比分析了影响拉伸和冲击及其各向异性的主要因素。... 详细信息

针对β锻制备的航空用TC21钛合金变截面模锻件的组织和力学性能不均匀性,采用Deform软件模拟、OM、SEM、XRD、EBSD、拉伸和示波冲击,对不同等效应变处的显微组织和力学性能进行表征,对比分析了影响拉伸和冲击及其各向异性的主要因素。结果表明,模锻件整体形状复杂,等效应变集中于0.75~1.20范围,应变高处流线组织明显,亚结构增多,窄截面导致冷速较快,使得初生α相含量减少以及次生α相细化,共同导致了强度升高。分析了高应变处在热变形和热处理过程中各相组成的织构演化,最终为残余β相的//LD的强织构及转变α相的{0002}2种较弱织构,从α相滑移系和β相密排面分析了强织构导致的强度各向异性。示波曲线表明冲击功主要消耗于萌生能,结合原始β晶粒排布讨论了不同取向冲击和拉伸断口的断裂模式差异,最后提出拉伸断裂模型,解释了高应变1.20处具有良好强塑性匹配的原因。

关键词： TC21钛合金模锻件等效应变织构力学性能

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焊前预处理对钛合金厚板焊接残余应力的影响

金属学报 2024年第8期60卷 1064-1078页

作者：周牧王倩王延绪翟梓融何伦华李昺马英杰雷家峰杨锐中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心沈阳110016 上海科技大学智造系统工程中心上海201210 散裂中子源科学中心东莞523803 中国科学院物理研究所北京国家凝聚态物理学实验室北京100190

焊接残余应力是影响焊接成型及焊接部件服役的重要因素。为了优化焊接工艺和焊接接头微观结构,有效地减小焊接残余应力,本工作研究了焊前预处理工艺对电子束焊接钛合金厚板焊接接头组织、性能和残余应力的影响机制。对不同预处理工艺制... 详细信息

焊接残余应力是影响焊接成型及焊接部件服役的重要因素。为了优化焊接工艺和焊接接头微观结构,有效地减小焊接残余应力,本工作研究了焊前预处理工艺对电子束焊接钛合金厚板焊接接头组织、性能和残余应力的影响机制。对不同预处理工艺制备的钛合金焊接接头进行组织形貌表征,发现焊前预热显著增宽了焊接接头的熔合区和热影响区,粗化了两区域内的α片层,提高了焊接接头的强韧性匹配。采用中子衍射法、深孔法和轮廓法检测钛合金厚板电子束焊接头残余应力,对3种方法的检测结果进行对比分析,获得了焊接接头不同区域沿不同方向的残余应力分布。另外,对比了2种预热工艺焊接接头采用深孔法获得的残余应力结果,发现焊前预热可以显著降低焊接接头的残余应力。采用数值模拟计算了不同预热温度下温度场和应力场的变化情况,获得了不同预热温度条件下热应力的动态变化规律,揭示了预热降低残余应力的内在机理。对比2种预处理工艺焊接接头熔合区和热影响区的显微组织、元素分布和晶粒取向,进一步阐明了预热可以通过促进元素扩散和诱发变体选择降低β→α相变产生的应力集中。

关键词：钛合金残余应力中子衍射显微组织力学性能

热压温度对TC4合金扩散连接区组织与性能的影响

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金属学报 2024年

作者：张洺川徐勤思刘意蔡雨升牟义强任德春吉海宾雷家峰沈阳航空航天大学民用航空学院中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心

扩散连接技术在航空航天等领域精密、复杂结构部件的生产中受到越来越多的关注，连接温度是影响部件扩散连接后使用性能的关键因素。本工作采用热压工艺制备了TC4钛合金扩散连接样品，研究了热压温度对扩散连接区显微组织、力学性能及... 详细信息

扩散连接技术在航空航天等领域精密、复杂结构部件的生产中受到越来越多的关注，连接温度是影响部件扩散连接后使用性能的关键因素。本工作采用热压工艺制备了TC4钛合金扩散连接样品，研究了热压温度对扩散连接区显微组织、力学性能及断裂机理的影响规律。结果表明，热压过程中扩散连接界面处的合金会发生动态再结晶，温度较低时，在扩散界面处再结晶形成细小α相，随着热压温度的升高，界面处的α相逐渐粗化；动态再结晶形成的α相与合金内部非扩散区α相的尺寸存在较大差异，由此产生的晶体学失配现象会显著降低扩散界面的性能，导致热压后的合金均在扩散区发生断裂，合金延伸率较低。热处理后扩散区的组织由初生α相(αp)、针状次生α相(αs)和少量β相组成，随连接温度的升高，α相的尺寸逐渐增大，界面处的晶体学失配得到改善，界面迁移程度增加，合金的抗拉强度提高到998.7MPa，延伸率提高到17.5%，达到扩散连接前TC4钛合金的性能。

关键词： TC4钛合金扩散连接动态再结晶晶体学失配热处理

激光增材制造高温合金原位增强钛合金复合材料的组织与力学性能

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材料工程 2024年第3期52卷 33-43页

作者：朱幼宇任德春雷波姜沐池杨兴远刘意蔡雨升吉海宾雷家峰中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016

采用激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)技术制备TCGH(TC4+GH4169)复合材料,探究TCGH钛合金复合材料的最佳成形工艺参数,并研究沉积态试样和热处理试样的显微组织与力学性能。结果表明:TCGH钛合金复合材料的最佳工艺参数为... 详细信息

采用激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)技术制备TCGH(TC4+GH4169)复合材料,探究TCGH钛合金复合材料的最佳成形工艺参数,并研究沉积态试样和热处理试样的显微组织与力学性能。结果表明:TCGH钛合金复合材料的最佳工艺参数为扫描速率900 mm/s、激光功率150 W,致密度达到99.5%以上。GH4169粉末的添加改变了TC4钛合金材料的固态相变行为,沉积态组织呈现明显高温凝固特征,使得逐行扫描搭接和逐层扫描堆积成形特征变得明显,沿打印方向原始粗大柱状β晶粒尺寸明显减小,复合材料抗拉强度提升。与沉积态试样相比,950℃热处理后,试样显微组织转变为近等轴组织,同时随着热处理温度上升,第二相的回溶导致复合材料的固溶强化作用占主导地位,使得复合材料抗拉强度和塑性均得到提升。

关键词：激光选区熔化 TC4复合材料 GH4169 热处理

激光选区熔化成形工艺对TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响

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中国有色金属学报 2024年第4期34卷 1227-1239页

作者：雷波朱幼宇姜沐池杨兴远刘意蔡雨升吉海宾雷家峰任德春中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 辽宁大学化学院沈阳110036

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形技术制备TA15钛合金,通过光学显微镜(Optical microscope,OM)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)和室温拉伸等研究了激光功率和扫描速度对SLM成形TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响规律。结果表明:在低激光功率(100~125 W)、高扫描速率(1200~1600 mm/s)区域,激光能量密度较低,合金内部缺陷主要为不规则形状的缺陷;在高激光功率(150~200 W)、低扫描速度(800~1000 mm/s)区域,激光能量密度过高,合金内部缺陷主要为规则球形缺陷。规则球形缺陷的存在会导致合金塑性显著降低、对强度影响较弱;而不规则未熔合缺陷的存在会显著降低合金强度和伸长率。TA15钛合金的最佳工艺参数:激光功率为200 W、激光扫描速度为1600 mm/s时,成形合金拉伸强度为(1291±4.2)MPa,断裂伸长率为(8.5±0.5)%。

关键词：激光选区熔化 TA15钛合金缺陷类型力学性能

激光增材制造近β钛合金显微组织与力学性能研究

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材料开发与应用 2024年第1期39卷 30-37页

作者：李海涛齐敏陈冬梅黄森森王倩马英杰雷家峰中航工业沈阳飞机设计研究所辽宁沈阳110035 中国科学院金属研究所辽宁沈阳110016

研究了激光沉积打印Ti55511钛合金的显微组织和室温拉伸性能,表征了打印态、热处理态Ti55511合金的晶粒形态及晶体学织构,分析了不同退火热处理温度对激光增材制造钛合金强塑性的影响。结果表明,原始打印态Ti55511钛合金由粗大的β晶粒... 详细信息

研究了激光沉积打印Ti55511钛合金的显微组织和室温拉伸性能,表征了打印态、热处理态Ti55511合金的晶粒形态及晶体学织构,分析了不同退火热处理温度对激光增材制造钛合金强塑性的影响。结果表明,原始打印态Ti55511钛合金由粗大的β晶粒组成,并且β晶粒以柱状晶和等轴晶两种类型的晶粒交替生长,呈现竹节状形态。在打印态Ti55511组织中,β基体析出的α片层提供了大量的界面,有效阻碍了位错运动,使合金具有高强度和低塑性。580℃退火热处理后,合金的屈服强度、抗拉强度变化不明显,伸长率有一定的提升。进一步提高退火温度至620℃后,合金的屈服强度、抗拉强度降低,但强度值依然大于1000 MPa,同时伸长率大幅提升。因此,可通过退火热处理调控α晶粒的尺寸和体积分数,以提高合金的强塑性匹配。当应力平行于Z方向时,样品的屈服强度、抗拉强度略低于垂直于Z方向的,而伸长率显著高于应力垂直于Z方向的。

关键词： Ti55511钛合金增材制造显微组织力学性能

焊丝成分和焊后热处理对新型α+β钛合金焊接接头组织和硬度的影响研究

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材料开发与应用 2024年第4期39卷 18-27页

作者：徐颖昶王倩杨杰周牧黄森森齐敏马英杰雷家峰李洪晓东北大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110819 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心辽宁沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110016

针对新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Sn系α+β钛合金板材进行了多层多道钨极惰性气体保护焊接,该方式连接温度低,对母材影响小,且不受材料尺寸大小限制。采用β稳定元素含量不同的两种焊丝制备焊接接头,并对接头的组织形貌和维氏硬度分布进行了... 详细信息

针对新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Sn系α+β钛合金板材进行了多层多道钨极惰性气体保护焊接,该方式连接温度低,对母材影响小,且不受材料尺寸大小限制。采用β稳定元素含量不同的两种焊丝制备焊接接头,并对接头的组织形貌和维氏硬度分布进行了研究和分析。结果显示,随着离熔合区的距离减小,母材由魏氏组织逐步过渡到次生α相交叉的网篮组织,热影响区硬度始终大于母材与熔合区的。焊丝中β稳定元素含量较低的焊接接头熔合区的平均硬度约为299.4HV,减小焊丝β稳定元素含量能显著粗化熔合区α片层,降低熔合区平均硬度至275.5HV。对2种焊丝焊接接头进行3种不同制度的焊后热处理,发现热处理温度在650℃和700℃条件下,熔合区α片层和热影响区次生α相尺寸均无明显变化,但在750℃热处理后两者均发生粗化,且焊接接头热影响区的平均硬度降低至与熔合区和母材的接近,两种焊丝焊接接头的平均硬度分别为311.7HV(β稳定元素含量较高)和293.7HV(β稳定元素含量较低)。因此,可以通过改变焊丝元素含量和焊后热处理温度来调整焊接接头微观组织,进而实现对该钛合金焊接接头硬度分布的调控。

关键词：新型α+β钛合金多层多道TIG焊接 β稳定元素含量焊丝焊丝焊后热处理维氏硬度

SiC_f/TC17复合材料界面热稳定性及元素扩散机理

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金属学报 2012年第11期48卷 1306-1314页

作者：张旭王玉敏雷家峰杨锐中国科学院金属研究所沈阳110016

采用磁控溅射先驱丝法并结合真空热压技术制备SiC_f/TC17复合材料,并在973,1023,1073和1123 K进行长时热暴露实验.结果表明,在热压和热暴露过程中,界面附近的元素扩散形式主要为化学反应和浓度梯度导致的界面互扩散,以及基体相变扩散.... 详细信息

采用磁控溅射先驱丝法并结合真空热压技术制备SiC_f/TC17复合材料,并在973,1023,1073和1123 K进行长时热暴露实验.结果表明,在热压和热暴露过程中,界面附近的元素扩散形式主要为化学反应和浓度梯度导致的界面互扩散,以及基体相变扩散.化学反应扩散是C和Ti扩散的主要动力,也是反应层形成和长大的原因;原于浓度梯度使Si,Al,Mo,Cr,Zr和Sn在C层/反应层界面进行下坡扩散,但扩散程度有限;基体相变扩散使Al向α相偏聚,Mo和Cr向β相偏聚,Sn向Ti_3AlC偏聚,同时使这些元素的界面互扩散受到抑制.界面热稳定性研究表明,SiC_f/TC17复合材料的反应层长大激活能为138 kJ/mol,该材料界面在973 K及以下温度是长时稳定的.

关键词：钛基复合材料 SiC纤维界面反应元素扩散相变

循环温度范围对Ti6—22—22合金热机械疲劳行为的影响

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材料研究学报 2004年第2期18卷 139-143页

作者：虞忠良李守新刘羽寅雷家峰中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室中国科学院金属研究所

采用拉压对称的机械应变控制,研究Ti-6-22-22合金在200～400℃和200～520℃两个温度范围的热机械疲劳(TMF)行为.结果表明,在200～400℃内,同相和反相热机械疲劳寿命均高于400℃等温疲劳寿命;在200～520℃范围,反相热机械疲劳寿命明显低... 详细信息

采用拉压对称的机械应变控制,研究Ti-6-22-22合金在200～400℃和200～520℃两个温度范围的热机械疲劳(TMF)行为.结果表明,在200～400℃内,同相和反相热机械疲劳寿命均高于400℃等温疲劳寿命;在200～520℃范围,反相热机械疲劳寿命明显低于520℃等温疲劳寿命.在两个温度范围内,热机械疲劳的循环应力都与相应等温疲劳的循环应力响应有关.纵向剖面金相观察表明,520℃时等温疲劳表面的裂纹更长.循环温度范围扩大导致环境破坏作用增强是热机械疲劳具有明显破坏作用的原因。

关键词：金属材料, Ti^6~22—22合金,热机械疲劳,等温疲劳,同相,反相