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钛合金室温受压蠕变损伤本构模型

哈尔滨工程大学学报 2024年第4期45卷 642-650页

作者：郭育豪刘刚宋育泽大连理工大学船舶工程学院辽宁大连116024 大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024

为了解决工程上在评估深潜器耐压壳体安全可靠性时不考虑拉压蠕变破坏机理产生的差异,会导致较大计算误差问题,本文提出了适用于室温蠕变的蠕变损伤本构模型。通过分析钛合金材料蠕变特性,考虑了室温环境下位错堆积造成的蠕变阻力,并且... 详细信息

为了解决工程上在评估深潜器耐压壳体安全可靠性时不考虑拉压蠕变破坏机理产生的差异,会导致较大计算误差问题,本文提出了适用于室温蠕变的蠕变损伤本构模型。通过分析钛合金材料蠕变特性,考虑了室温环境下位错堆积造成的蠕变阻力,并且位错堆积的现象与时间有关。基于微分自洽法提出了适用于室温环境下的钛合金蠕变本构模型,得到受压情况下TC4ELI的相关材料参数,并将该模型用USDFLD和CREEP子程序进行定义。研究表明:对于受压结构而言,使用通过拉伸蠕变实验得到的本构模型的计算结果会过于保守,对于含V型缺口平板受压时等效蠕变应变的相对误差为168.20%。本文所提出的模型适用于环肋耐压壳结构的蠕变损伤分析。

关键词：钛合金室温蠕变蠕变损伤本构模型拉压不同连续损伤力学有限元法耐压壳

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钛合金K-TIG深熔焊热源开发与数值仿真

稀有金属材料与工程 2024年第3期53卷 692-700页

作者：李岩李艳彪刘琪杨冰冰张璐霞吴志生太原科技大学材料科学与工程学院山西太原030024 山西电子科技学院智能制造产业学院山西临汾041000

K-TIG是在传统TIG焊基础上,将焊接电流提高到300 A甚至更高并配合钨极冷却系统形成“匙孔”效应,最终实现大熔深的焊接工艺方法。K-TIG焊缝熔宽相对于等离子和激光焊接等焊接方法较宽,熔池体积较大。传统的热源模型不适合K-TIG焊热源分... 详细信息

K-TIG是在传统TIG焊基础上,将焊接电流提高到300 A甚至更高并配合钨极冷却系统形成“匙孔”效应,最终实现大熔深的焊接工艺方法。K-TIG焊缝熔宽相对于等离子和激光焊接等焊接方法较宽,熔池体积较大。传统的热源模型不适合K-TIG焊热源分布特点,基于SYSWELD仿真平台和钛合金K-TIG焊接实验结果,开发钛合金K-TIG深熔焊数值仿真组合热源模型。结果表明,双椭球热源分配系数取0.75,作用深度取4 mm时,仿真熔池与实际接头横截面相符,正面熔宽为12 mm,且背部熔宽为5 mm。温度热循环曲线和残余应力有限元仿真结果与实验结果基本一致,验证了所建立的K-TIG热源模型的准确性。

关键词：钛合金 K-TIG 数值模拟热源开发组合热源

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钛合金表面主-被动抑菌改性方法研究进展

表面技术 2024年第1期53卷 1-14页

作者：朱凯悦朱丽娜底月兰王海斗段天南中国地质大学(北京)工程技术学院北京100083 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072 陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072

钛合金材料具有良好的耐腐蚀性、抗疲劳性和生物相容性,被广泛用于医疗领域,特别是可植入器械。医疗器械的型号多样、结构复杂、局部尺寸较小,且在使用过程中会接触多种媒介,极易黏附污渍,导致微生物的聚集,引发器械感染,安全、可靠的... 详细信息

钛合金材料具有良好的耐腐蚀性、抗疲劳性和生物相容性,被广泛用于医疗领域,特别是可植入器械。医疗器械的型号多样、结构复杂、局部尺寸较小,且在使用过程中会接触多种媒介,极易黏附污渍,导致微生物的聚集,引发器械感染,安全、可靠的医疗器械是提高救治效率的关键。从细菌生长机制出发,将现有金属材料表面抑菌改性方法归纳为两大类:依靠抗菌涂层主动杀菌的改性方式和控制表面润湿性的被动抑制细菌黏附的改性方式。采用主动改性方式,虽然能从根本上杀死细菌,但是在实际应用中这些杀菌剂存在耐药性、成本高、生物毒性等问题。被动改性方式无法直接杀死细菌,一旦表面被细菌定植,就会失去抑菌效果。为了实现医疗器械表面高效、长时、安全的清洁,研究者提出主–被动协同抑菌改性方法,将化学杀菌方法与抗黏附抑菌方法相结合,充分发挥2种方法的优势,这是未来研究的重点。

关键词：钛合金医疗器械表面改性抑菌超疏水表面纳米粒子

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钛合金激光表面处理的进展及应用

稀有金属材料与工程 2024年第5期53卷 1296-1309页

作者：徐剑波张博文屈文涛孙霖霖西安石油大学机械工程学院陕西西安710065 西北工业大学机电学院陕西西安710072 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室陕西西安710064

钛及其合金由于质轻、耐腐蚀性能好、强度高、弹性模量低、生物相容性佳和骨整合性优异,已成为应用最广泛的航空航天与生物医学金属材料之一。然而,较低的塑性、低硬度、和耐磨损性能限制了其发展和应用。激光表面处理(LST)技术在不改... 详细信息

钛及其合金由于质轻、耐腐蚀性能好、强度高、弹性模量低、生物相容性佳和骨整合性优异,已成为应用最广泛的航空航天与生物医学金属材料之一。然而,较低的塑性、低硬度、和耐磨损性能限制了其发展和应用。激光表面处理(LST)技术在不改变材料体积的情况下增强表面性能,成为钛合金表面改性的一种有利手段。综述了利用LST技术对钛及其合金材料进行表面改性的研究进展和应用现状。分析了激光相变硬化、激光表面重熔、激光冲击喷丸、激光表面合金化、激光熔覆和复合LST的机理、工艺参数、表面特性和微观结构。总结了LST在航空航天、医学等领域的应用,介绍了现有的局限性,提出了未来的研究方向,并对LST在钛及其合金材料上的发展趋势进行了展望,以推进LST创新,为钛合金在多领域中的应用开辟新途径。

关键词：激光表面处理钛合金航空航天医疗

钛合金超声辅助等离子体氧化改性磨削基本加工特性研究

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机械工程学报 2024年第9期60卷 13-25页

作者：武韩强陈卓叶曦珉张诗博李偲偲曾江汪强吴勇波南方科技大学机械与能源工程系深圳518055 温州大学机电工程学院温州325600

鉴于钛合金的难加工特性,提出了超声辅助等离子体氧化改性磨削新方法。首先介绍了新方法的加工原理,并基于加工原理构建了实验装置;其次就不同电解质溶液对等离子体氧化层生长方向,工艺参数对等离子体氧化层厚度的影响规律开展研究;随... 详细信息

鉴于钛合金的难加工特性,提出了超声辅助等离子体氧化改性磨削新方法。首先介绍了新方法的加工原理,并基于加工原理构建了实验装置;其次就不同电解质溶液对等离子体氧化层生长方向,工艺参数对等离子体氧化层厚度的影响规律开展研究;随后表征等离子体氧化层表面主要化学成分、显微硬度,并利用单点磨削实验揭示等离子体氧化层的材料去除行为;最后对比有、无氧化层的磨削加工特性。研究表明:Na_(2)SO_(4)溶液下的氧化层主要向内生长;在工艺参数中,降低进给速度和增加超声振幅可以提升氧化层厚度;氧化层较低的硬度和疏松多裂纹结构提高了钛合金的切削加工性。相比于无氧化层的传统磨削,超声辅助等离子体氧化改性生成的氧化层可以降低磨削力,提升表面质量,减少砂轮磨粒脱落和磨屑粘附。

关键词：钛合金超声等离子体氧化氧化层性能磨削性能

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钛合金电致塑性本构方程及多物理场耦合分析

机械工程学报 2024年第9期60卷 421-433页

作者：韩建超张孟非王斌国生辉贾燚王涛太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心太原030024 海安太原理工先进制造与智能装备产业研究院海安226600 北京星航机电装备有限公司北京100074

脉冲电流激发的电致塑性效应能够显著提高钛合金的成形能力,而电塑性效应是融合“电-热-结构”多物理场综合作用的结果,构建电辅助有限元模型对于分析其塑性变形行为及优化成形工艺参数具有重要意义。以Ti-6Al-4V合金为研究对象进行不... 详细信息

脉冲电流激发的电致塑性效应能够显著提高钛合金的成形能力,而电塑性效应是融合“电-热-结构”多物理场综合作用的结果,构建电辅助有限元模型对于分析其塑性变形行为及优化成形工艺参数具有重要意义。以Ti-6Al-4V合金为研究对象进行不同电流密度、温度及应变速率下的电辅助拉伸试验;基于Johnson-Cook模型建立一个考虑热效应与非热效应的本构模型,其相关系数R^(2)均高于0.95,平均相对误差低于2%;基于此模型对电脉冲辅助拉伸过程中物理场进行有限元分析,当电流密度为4.19 A/mm^(2)时,随着试样拉伸至颈缩,电流密度相较于初始值升高21.96%,导致标距段内温度梯度明显增大,温差由68.69℃增至95.52℃,与同温度350℃高温试验相比,在应变场上表现为整体均匀程度降低,由于非热效应的作用峰值应力降低了49 MPa,模型预测的应力-应变结果与试验数据相比呈现较高的拟合精度,为进一步研究电辅助成形工艺及电致塑性机理提供了理论方法。

关键词：钛合金电致塑性效应电辅助本构方程多物理场耦合建模

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钛合金微槽超声螺线辅助铣磨加工试验研究

机械工程学报 2024年第9期60卷 5-12页

作者：苏志朋梁志强李娟王飞魏正义刘月红金惟薇马悦殷振王西彬北京理工大学机械与车辆学院北京100081 内蒙古北方重工业集团有限公司包头014030 苏州科技大学机械工程学院苏州215009

微铣削是实现航空微小零件精密加工的主要方法,但是受尺寸效应影响,使用该工艺加工钛合金等塑性高且强度大的材料时,易产生严重的切削变形以及毛刺等缺陷,影响微小零件加工质量。针对钛合金微槽加工过程中出现塑性变形大以及毛刺损伤严... 详细信息

微铣削是实现航空微小零件精密加工的主要方法,但是受尺寸效应影响,使用该工艺加工钛合金等塑性高且强度大的材料时,易产生严重的切削变形以及毛刺等缺陷,影响微小零件加工质量。针对钛合金微槽加工过程中出现塑性变形大以及毛刺损伤严重的问题,提出超声螺线辅助铣磨加工方法,将平面加工轨迹转变为三维螺线,进而实现微铣磨工具的端面和圆柱面与工件周期性分离,降低微铣磨力,改善微槽加工质量。开展超声辅助钛合金微槽铣磨加工仿真与试验研究,对比分析不同超声振动方式对微槽毛刺尺寸、表面质量、分形维数以及微铣磨力的影响,结果表明,相比无超声辅助、纵扭超声辅助以及切向超声辅助加工方法,超声螺线辅助加工得到毛刺尺寸最小,表面粗糙度最低,分形维数最大,微铣磨力最小。钛合金微槽加工质量得到了提高。验证了超声螺线辅助加工方法在钛合金微槽加工中的优势。

关键词：超声振动微铣削微磨削聚晶金刚石工具钛合金

基于团簇加连接原子模型对TC21钛合金的成分优化

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材料工程 2024年第5期52卷 117-126页

作者：朱智浩陈志鹏宋梦凡刘田雨张爽董闯大连理工大学材料科学与工程学院三束材料改性教育部重点实验室辽宁大连116024 沈阳铸造研究所有限公司高端装备轻合金铸造技术国家重点实验室沈阳110022 大连交通大学材料科学与工程学院辽宁大连116028

运用源自最成熟Ti-6Al-4V合金的双团簇成分式,解析了高损伤容限的双相TC21(Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Nb-1.5Cr)钛合金成分,指出其成分式由13个α-Ti和4个β-Ti结构单元构成。与Ti-6Al-4V相比,β-Ti结构单元从5减少到4,但是引入了更多的β稳... 详细信息

运用源自最成熟Ti-6Al-4V合金的双团簇成分式,解析了高损伤容限的双相TC21(Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Nb-1.5Cr)钛合金成分,指出其成分式由13个α-Ti和4个β-Ti结构单元构成。与Ti-6Al-4V相比,β-Ti结构单元从5减少到4,但是引入了更多的β稳定元素,使得该合金具有更好的强塑性。在此基础上,本工作将TC21的β-Ti团簇式内各β稳定元素原子等比例配比以增加混合熵,大量增加Zr含量以进一步提升β相稳定性,设计了团簇式为α-{[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))}_(13)+β-{[(Al-(Ti_(12)Zr_(2))]Sn_(0.75)Mo_(0.75)Nb_(0.75)Cr_(0.75)}_(4)(原子分数)的新合金TC21Z2,相应质量分数为Ti-5.9Al-5.4Zr-2.6Sn-2.1Mo-2.0Nb-1.1Cr。采用真空铜模倾铸工艺进行样品制备,进而研究了合金的铸态组织和拉伸力学性能。研究发现,TC21Z2铸态组织为α+少量细针状α'马氏体+少量β相,其抗拉强度约为1289 MPa,屈服强度约为1181 MPa,伸长率约为1.4%,强度和塑性均高于同样状态下TC21合金。

关键词：钛合金团簇加连接原子模型成分式显微组织力学性能

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第一性原理研究钛合金中的沉淀强化

金属学报 2024年第4期60卷 537-547页

作者：程坤陈树明曹烁刘建荣马英杰范群波程兴旺杨锐胡青苗中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 北京理工大学材料学院冲击环境材料技术重点实验室北京100081

为研究合金化对沉淀强化行为的影响,采用第一性原理方法计算了二元Ti-xM(M=Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Ta、W)合金弹性模量随成分的变化,提出了弹性模量Mo当量概念,以高效计算复杂成分钛合金(如Ti-Al-V合金以及Ti55521)的... 详细信息

为研究合金化对沉淀强化行为的影响,采用第一性原理方法计算了二元Ti-xM(M=Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Ta、W)合金弹性模量随成分的变化,提出了弹性模量Mo当量概念,以高效计算复杂成分钛合金(如Ti-Al-V合金以及Ti55521)的弹性模量;结合弹性模量及Russell-Brown沉淀强化模型,研究了二元Ti-xM(M=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Mo、Ta、W)合金以及Ti55521合金中的沉淀强化。结果显示,在体积分数及沉淀相颗粒尺寸相同的情况下,Co、Fe、W、Mo、Ni、Mn沉淀强化作用较强,Cr、Nb、Ta强化作用居中,V强化作用最弱。随合金元素含量x增加,沉淀强化作用均有所增强。热机械处理Ti55521合金经短时时效后,沉淀强化作用有所减弱,但长时时效后,沉淀强化效果增强。

关键词：第一性原理钛合金弹性模量沉淀强化强度