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tc4钛合金铣削温度参数自适应控制方法研究

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工具技术 2024年第7期58卷 138-141页

作者：刘浩衡水学院机电研究所

传统的钛合金铣削温度参数PID控制方法无法实时反馈钛合金铣削过程中的温度变化情况,影响实际的铣削温度控制,降低钛合金铣削加工精度。对此,设计一种tc4钛合金铣削温度参数自适应控制方法,在铣削过程中建立tc4钛合金温度热模型,分析钛... 详细信息

传统的钛合金铣削温度参数PID控制方法无法实时反馈钛合金铣削过程中的温度变化情况,影响实际的铣削温度控制,降低钛合金铣削加工精度。对此,设计一种tc4钛合金铣削温度参数自适应控制方法,在铣削过程中建立tc4钛合金温度热模型,分析钛合金热产生区域,计算tc4钛合金不同变形区产生的能量,得到tc4钛合金铣削速度与温度之间的变化模型。基于热焓修正复合神经网络,在自适应温度控制中赋值系统参数以减少控制振动,得到铣削温度参数自适应控制框图,制定自适应模糊逼近调节规则对照表,完成tc4钛合金铣削温度参数自适应控制方法的研究。结果表明,与传统控制方法相比,设计的方法抗干扰能力更好,响应速度较快,跟随误差更小,即鲁棒性更强。

关键词： tc4钛合金铣削温度自适应控制

扩散焊后tc4钛合金热变形行为及焊接界面孔洞演变

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塑性工程学报 2024年第6期31卷 158-163页

作者：吴腾飞范荣磊马广璐董佳鹏武永南京航空航天大学机电学院江苏南京210016 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司辽宁沈阳110043

利用UTM5504X型电子万能试验机对扩散焊后tc4钛合金进行恒应变速率拉伸实验,研究材料在变形温度680~920℃、应变速率0.0001~0.1 s^(-1)条件下的热变形行为。通过光学显微镜分析了扩散焊后tc4钛合金和原始态tc4钛合金金相组织的差异,并... 详细信息

利用UTM5504X型电子万能试验机对扩散焊后tc4钛合金进行恒应变速率拉伸实验,研究材料在变形温度680~920℃、应变速率0.0001~0.1 s^(-1)条件下的热变形行为。通过光学显微镜分析了扩散焊后tc4钛合金和原始态tc4钛合金金相组织的差异,并研究了不同变形参数对焊接界面孔洞的影响。结果表明:与原始态tc4钛合金相比,扩散焊后tc4钛合金中针状α相发生了明显粗化。随着变形温度的上升和应变速率的下降,峰值应力逐渐减小。在变形温度680~800℃、应变速率0.0001~0.01 s^(-1)范围内,扩散焊后tc4钛合金趋于沿焊接界面断裂;当变形温度为920℃、应变速率为0.0001 s^(-1)时,扩散焊后tc4钛合金沿焊接界面断裂,伸长率为237.1%。当真应变保持恒定时,焊接界面的孔洞占比随着变形温度的上升和应变速率的下降逐渐减小。

关键词：扩散焊 tc4钛合金热变形行为峰值应力焊接界面

tc4钛合金电脉冲辅助切削加工有限元模拟研究

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TC4钛合金电脉冲辅助切削加工有限元模拟研究

作者：邵志华天津职业技术师范大学

学位级别：硕士

tc4钛合金因具有比强度高、密度小和耐蚀性好等优点,被广泛应用于航空航天和医疗卫生等领域。但是tc4钛合金在切削过程中存在切削力大、切削温度高和刀具磨损严重等问题,是一种典型的难加工材料。电脉冲辅助切削具有减小切削力、提高加... 详细信息

tc4钛合金因具有比强度高、密度小和耐蚀性好等优点,被广泛应用于航空航天和医疗卫生等领域。但是tc4钛合金在切削过程中存在切削力大、切削温度高和刀具磨损严重等问题,是一种典型的难加工材料。电脉冲辅助切削具有减小切削力、提高加工表面质量和延缓刀具磨损等优点,给tc4钛合金提供了一种可取的加工方式。采用传统实验法进行电脉冲辅助切削加工研究需要大量的人力和财力,且无法实现脉冲电流热效应和非热效应的解耦。有限元法在金属切削领域的应用已经非常成熟,是研究电脉冲辅助切削加工过程的一种有效手段。本文以tc4钛合金为研究对象,利用实验与有限元模拟相结合的方法,建立了考虑位错的本构模型,采用有限元模拟的方法分析了脉冲电流参数和切削参数对切削力和切削温度的影响。主要研究内容及结论如下:(1)适合电脉冲辅助加工过程的高温本构模型参数反求。开展tc4钛合金正交切削实验,获取了切削力数据;采用ABAQUS有限元仿真软件建立切削有限元模型,综合仿真结果的准确性和参数获取实验应变率和温度范围确定初始本构;利用灰色关联分析法,确定了需要反求的本构参数;利用Python语言进行ABAQUS二次开发,实现本构参数反求过程的自动迭代,从而获得了适合电脉冲辅助加工过程的高温本构模型参数。(2)电脉冲辅助切削加工“电-热”耦合有限元建模及分析。建立基于Maxwell仿真软件的电流分布模型,进行了tc4钛合金集肤效应有限元仿真。结果表明:向tc4钛合金工件通入正弦激励电流,其内部电流分布存在集肤效应;随着工件直径的增大,电流密度的绝对均匀性系数减小;随着激励电流频率的增大,电流密度的绝对均匀性系数减小;改变激励电流幅值,电流密度的绝对均匀性系数基本不变。利用ABAQUS仿真软件,建立电脉冲辅助切削加工“电-热”耦合有限元模型,实现了脉冲电流作用下工件温度场的预测。(3)tc4钛合金考虑位错的本构模型建立及参数获取。建立tc4钛合金考虑位错的本构模型,通过考虑脉冲电流热效应的切削仿真和电脉冲辅助切削加工实验对脉冲电流的热效应和非热效应进行解耦,拟合非热效应参数;通过编写VUMAT子程序,实现基于本文所建本构的切削有限元模型建立。(4)tc4钛合金电脉冲辅助切削加工有限元仿真。建立基于ABAQUS仿真软件的tc4钛合金电脉冲辅助切削加工有限元模型,通过模拟结果与实验结果的对比,进行模型验证。通过仿真模拟分析脉冲电流参数和切削参数对切削加工的影响规律。结果表明:随着平均电流密度的增大,工件表面最高温度升高;随着平均电流密度的增大,切削力降低,切削温度升高;随着脉冲电流频率的升高,切削力降低,切削温度缓慢升高;随着切削速度的增加,切削力缓慢降低,切削温度升高;随着切削深度的增加,切削力、切削温度升高。

关键词： tc4钛合金电脉冲辅助切削加工有限元模拟温度场模拟本构关系

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tc4钛合金真空渗析氢组织与性能研究

TC4钛合金真空渗析氢组织与性能研究

作者：刘文富贵州师范大学

学位级别：硕士

tc4钛合金作为两相合金,因具有高的比强度、良好的组织稳定性和优异的高温变形性等优点,而广泛应用于生物医疗,机械化工和航天航空等领域。然而,tc4钛合金存在塑性低,变形抗力大,难以加工成型等问题,其应用范围受到严重限制。热氢处理... 详细信息

tc4钛合金作为两相合金,因具有高的比强度、良好的组织稳定性和优异的高温变形性等优点,而广泛应用于生物医疗,机械化工和航天航空等领域。然而,tc4钛合金存在塑性低,变形抗力大,难以加工成型等问题,其应用范围受到严重限制。热氢处理可以通过氢致相变,从而改善钛合金的性能。本文采用不同压力、时间以及温度对tc4钛合金进行渗析氢处理,通过组织成分分析、脆性测量、拉伸及耐磨实验等方法,研究渗析氢工艺条件对tc4钛合金组织演变及力学性能的影响规律。对tc4钛合金真空渗氢的动力学研究结果表明,渗氢过程以氢原子的向内间隙扩散为主,其活化能为原子跃迁所需能量,单位面积增重量与时间的平方根成正比,真空渗氢活化能为61.952 k J/mol。真空渗氢后表面渗氢层物相主要由α、β、α’和δ氢化物组成。随渗氢压力和时间的增加,α相向β相转变量增加,表面硬度、拉伸强度和耐磨性也随之增加,但过高的渗氢压力和过长的渗时间,会导致钛原子晶格间隙位置数减少,氢原子难以扩散向内而聚集,形成大量的氢化物,钛合金表面性能开始降低。随渗氢温度升高,钛合金的溶氢量增加,α相向β相转变量增加,但过高的温度会导致渗氢层组织疏松,表面性能也会下降。结果表明,当tc4钛合金在渗氢温度为800℃、压力为0.05 MPa,渗氢时间为4 h时,表面硬度约为550～600 HV0.2,达到最大值,拉伸强度以及耐磨性改善明显。经真空析氢处理后,钛合金主要由α、β及δ氢化物三种物相构成。氢化后表面组织均匀致密,形成了较为稳定的渗氢层。析氢温度较低时,析氢量几乎没有变化。析氢温度升高至800℃时,β相开始大量转变为的针状α相,并伴随有大量位错的生成,表面硬度为810～820 HV0.2,约为原样的2倍,拉伸强度、结合强度以及耐磨性均得到了明显提高。

关键词： tc4钛合金真空渗氢真空析氢组织成分性能

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tc4钛合金高压容器旋压成形工艺研究

TC4钛合金高压容器旋压成形工艺研究

作者：蒲俊鹏重庆理工大学

学位级别：硕士

压力容器特殊需求广泛且其服役环境恶劣,传统制造方法在产品密封性和承压能力等方面无法满足发展现状。本文通过材料自身属性、容器结构设计和成形工艺三方面设计出一种轻量化、高强度、高承压和耐腐蚀的高压气瓶,对于工业、能源、医疗... 详细信息

压力容器特殊需求广泛且其服役环境恶劣,传统制造方法在产品密封性和承压能力等方面无法满足发展现状。本文通过材料自身属性、容器结构设计和成形工艺三方面设计出一种轻量化、高强度、高承压和耐腐蚀的高压气瓶,对于工业、能源、医疗、国防军工和环境等多个领域发展具有重要意义。本文针对高压容器开展了如下几个方面的研究:(1)利用Gleeble-3500热模拟试验机研究了tc4钛合金在变形温度为750～900℃、应变速率为0.01～10/s下的热压缩变形行为,根据特征应力建立相应的Arrhenius型本构方程和应变补偿型本构方程,构建热加工图和对应区域的电子背散射衍射分析,得出失稳的变形温度和应变速率为:750～800℃、0.01～10/s;800～825℃、0.01～0.1/s;860～900℃、0.01～0.1/s。(2)采用ABAQUS软件对结构设计的tc4钛合金高压容器进行跌落碰撞和内表面承压数值模拟研究。研究发现,瓶口端碰撞受到的最大应力为364.7 MPa,并产生了较小的应变;在30～120 MPa的载荷下,容器所受到的承受应力均低于屈服应力,未发生等效塑性应变。(3)在DEFORM-3D数值模拟软件导入本构方程,研究了旋压方式、进给比和温度等工艺参数对tc4钛合金高压容器旋压成形的影响。试验表明,正旋得到的容器材料堆积缺陷明显,而反旋瓶口直线段与圆弧段过渡部分的壁厚最大。进一步反旋研究中,较高的进给比显著地增加瓶颈部位的壁厚,但过高的进给比1.95 mm/r会出现压痕缺陷。在旋压温度850℃、进给比1.3 r/s下,容器的增厚率达到了80.67%。(4)旋制的tc4钛合金高压容器试验件表面质量完好,尺寸精度在产品范围内。试验件最大值壁厚与在同一工艺参数数值模拟得到的相差6.35%,且壁厚分布变化规律高度重合。随固溶温度的升高,tc4钛合金的强度得到了提升,而冲击韧性大幅度下降,塑性也降低了;而随时效温度的增加,tc4钛合金的冲击韧性至多降低了55.42%,而塑性变化不明显,强度有所提高;随着完全再结晶退火温度的升高,强度小幅度提升,但塑性和冲击韧性改变较小。最后对退火热处理后的试验件进行承压试验发现,在50～120 MPa的载荷下,试验件未发生明显变形,且试验与仿真结果相吻合。

关键词：高压容器 tc4钛合金热压缩变形数值模拟旋压

tc4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究

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表面技术 2024年第5期53卷 69-77页

作者：刘畅张春晖杜鹏程许建亮高名传陈同舟武汉材料保护研究所有限公司武汉430030 特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室武汉430030 武汉船用机械有限责任公司武汉430080 凌云科技集团有限责任公司武汉430030

目的改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损,提升钛合金零部件的使用寿命。方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法在tc4钛合金表面上制备Cr_(3)C_(2)-NiCr、Ni50和NiCr涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计等分析涂层的显微结构... 详细信息

目的改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损,提升钛合金零部件的使用寿命。方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法在tc4钛合金表面上制备Cr_(3)C_(2)-NiCr、Ni50和NiCr涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计等分析涂层的显微结构及力学性能,采用多功能摩擦磨损试验机及白光共焦三维形貌仪测试和分析不同涂层与tc4钛合金在干摩擦条件下的摩擦学性能。结果Ni50和NiCr涂层的硬度分别为680HV0.3和438HV0.3,低于Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层硬度1120HV0.3。在高载荷作用下,由于Ni50和NiCr涂层的硬度较低,导致其颗粒界面出现裂纹,断裂韧性测试表现低于Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层。3种涂层的摩擦系数及波动均大于tc4钛合金基材。Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层对tc4的切削和NiCr涂层对tc4的黏着导致了tc4对磨副的严重磨损。中等硬度的Ni50涂层对tc4的切削和黏着作用分别弱于Cr_(3)C_(2)-NiCr和NiCr涂层,tc4对磨副的磨损损失最低。结论采用超音速火焰喷涂技术制备Ni50涂层可以降低tc4钛合金基体和摩擦副的黏着磨损损失,本研究为钛合金表面耐磨涂层的设计和提高钛合金零部件间的摩擦性能提供了一种可行的方案。

关键词： HVOF tc4钛合金 Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层 Ni50涂层断裂韧性摩擦学性能

快速渗氮处理下的tc4钛合金的摩擦磨损性能

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复合材料学报 2024年第8期41卷 4334-4343页

作者：丁旭王匀杜道忠周泓于超刘为力刘振强李瑞涛江苏大学机械工程学院镇江212013 江苏城乡建设职业学院公共事业学院常州213147

为了改善tc4钛合金表面硬度、耐磨性较差的缺点,本文提出了基于超快高温烧结(UHS)工艺的快速渗氮处理(HSNT)表面处理方法。对tc4钛合金表面进行HSNT,利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究试样的微观组织,采用维氏显微硬度计和摩擦磨损... 详细信息

为了改善tc4钛合金表面硬度、耐磨性较差的缺点,本文提出了基于超快高温烧结(UHS)工艺的快速渗氮处理(HSNT)表面处理方法。对tc4钛合金表面进行HSNT,利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究试样的微观组织,采用维氏显微硬度计和摩擦磨损试验装置对试样进行力学性能测试。2 min即可在tc4钛合金表面形成改性层,改性层由两部分组成,最表层为氮化物层,厚度10μm,平均显微硬度为HV_(0.1)973.55,主要成分为Ti N;次表层为渗氮层,厚度10μm,平均显微硬度为HV_(0.1)774.53,截面显微硬度整体呈现出阶梯分布的趋势。摩擦磨损试验发现,在20 N载荷下,经过HSNT的tc4的摩擦系数为0.406,降低了24.4%,经过HSNT的tc4的磨损体积为0.302 mm^(3),降低了86.7%。不同载荷下经过HSNT的tc4的摩擦系数和磨损体积始终小于tc4钛合金,且均随着载荷的增加而增大。在20 N载荷下,tc4的磨损机制主要表现为磨粒磨损和氧化磨损,经过HSNT的tc4的磨损机制主要表现为粘着磨损和氧化磨损。经过HSNT的tc4钛合金的性能得到了明显的改善,弥补了tc4硬度低、耐磨性差的缺点。

关键词： tc4钛合金快速渗氮微观组织显微硬度摩擦磨损

高频电源与活性屏离子渗氮对表面纳米化tc4钛合金渗氮层结合力的影响

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表面技术 2024年第17期53卷 157-169页

作者：高鸿文凯张乘玮高岩华南理工大学材料科学与工程学院广州510641

目的评估高频电源对喷丸纳米化tc4钛合金离子渗氮层结合力的影响,进一步探究在高频电源+活性屏工艺组合上,渗氮参数优化对渗氮层结合力的影响。方法选取直流电源–500℃-20 h-300 Pa离子渗氮试样与高频电源–500℃-20 h-200 Pa离子渗... 详细信息

目的评估高频电源对喷丸纳米化tc4钛合金离子渗氮层结合力的影响,进一步探究在高频电源+活性屏工艺组合上,渗氮参数优化对渗氮层结合力的影响。方法选取直流电源–500℃-20 h-300 Pa离子渗氮试样与高频电源–500℃-20 h-200 Pa离子渗氮试样,分别进行XRD、扫描电镜和划痕试验,对结构、形貌与结合力分析。在高频电源基础上,进一步选取活性屏优化前、后参数的渗氮试样进行结构、形貌和结合力对比。结果通过划痕测试发现,高频电源渗氮层的声信号平稳,划痕无剥落,渗氮层摩擦力信号突增的载荷值有一定提升。在高频电源+活性屏工艺组合下,优化后渗氮试样的Ti N和Ti2N层厚度比优化前渗氮试样的厚度明显增加。声信号上表现为更平稳及无明显突变,且优化后试样的渗氮层摩擦力信号突增的载荷值较优化前均增加。结论高频电源抑制了传统直流电源渗氮过程中的打弧现象,缓解了渗氮层内部的热应力聚集,提高了渗氮层的表面性能,对渗氮层载荷承受力和结合力有一定的提升作用。在高频电源与活性屏组合工艺下,优化后渗氮试样的渗氮动力学条件更好,Ti2N层厚度显著增加,提高了基体中氮扩散层的性能。同时,Ti2N厚度的增加可以减缓TiN层与基体的成分与性能的突变,从而提升渗氮层与基体的结合力。

关键词： tc4钛合金活性屏离子渗氮高频电源表面纳米化结合力

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固溶处理对锻/增复合成形tc4钛合金件的显微组织和力学性能的影响

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中国机械工程 2024年

作者：王亚辉黄亮刘翔华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室华中科技大学工程实践创新中心

采用激光立体成形技术（Laser solid forming， LSF）在锻造tc4钛合金基体上进行增锻复合成形，研究不同固溶热处理条件下LSF增材区域(Additive Manufacturing area， AM area)和锻造基体结合部分的微观组织演变以及复合成形tc4钛合金... 详细信息

采用激光立体成形技术（Laser solid forming， LSF）在锻造tc4钛合金基体上进行增锻复合成形，研究不同固溶热处理条件下LSF增材区域(Additive Manufacturing area， AM area)和锻造基体结合部分的微观组织演变以及复合成形tc4钛合金件的性能。结果表明，在炉冷或者空冷条件下，固溶热处理温度越高，复合成形结合处的α/α'相逐渐长大变粗，且在1040 ℃固溶处理条件下，原本较为明显的分界转变为一体的α片层组织；随着固溶温度升高，复合成形件的屈服强度和抗拉强度均下降；固溶处理的冷却方式对结合处的微观组织有影响，空冷得到α相宽度小于炉冷的α相；在炉冷条件下，固溶温度越高，结合处的硬度越低，且结合处附近的微观硬度要高于远离结合处的硬度。

关键词： tc4钛合金力学性能微观组织固溶处理