研究簡報

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研究簡報

通過優(yōu)化合金組成和制造工藝控制鈦基合金的性能

為了控制鈦基合金的性能，尤其是其形狀記憶性能，日本學者松木一弘從合金組成及制造工藝兩方面進行優(yōu)化，取得了一定的研究成果。

合金組成的優(yōu)化是采用基于固體物理理論的合金電子參數(shù)的d電子合金設(shè)計理論。該理論的電子參數(shù)有兩種，一是過渡金屬元素的d軌道能級Md，二是結(jié)合次數(shù)Bo，表示原子間共價鍵的強度。對于M-Ti二元金屬間化合物，隨M含量的變化可作出以Md和Bo值為兩軸的結(jié)晶構(gòu)造圖。而在M-Ti二元合金中再添加合金元素時，合金的Md、Bo的平均值(Mdt、Bot)作為第1近似值。這樣可以作出添加不同合金元素的Ti-Ni系合金的Mdt-Bot圖。作者對50種組成的三元系TiNi合金作圖，推定了達成B2單相的組成范圍。并且可以推定，Bo值及Md的絕對值越高，合金的強度也將會越高。依據(jù)這種理論可以優(yōu)化合金組成。

制造工藝上，作者采用了冷坩堝懸浮熔鑄法(CCLM)。該方法使用了兩個線圈，上線圈用來加熱熔化金屬，下線圈用來懸浮金屬熔液，熔煉中熔融金屬不與水冷銅坩堝接觸，可消除外來污染，而渦流產(chǎn)生的強電磁攪拌力使合金元素間充分混合，可獲得均質(zhì)的熔池。

設(shè)計了Ti-49Ni-1Cr和Ti-49Ni-5Cr兩種合金，用上述制造工藝獲得了鑄件。組織分析結(jié)果表明，它們在鑄態(tài)和熱處理態(tài)(1 273 K×48 h)的組織與Ti-50Ni合金沒有大的差異，為均質(zhì)單相的等軸組織。拉伸試驗結(jié)果表明，Cr的添加使合金強度增加。高溫氧化試驗也表明，Cr的添加可提高合金抗氧化性能。以上都與合金設(shè)計理論預(yù)測的性能相一致。

還依據(jù)該理論設(shè)計了添加Re、Cr、Fe、Cu、Al等合金元素的TiNi基合金，測定了馬氏體相變起始溫度Ms及奧氏體相變起始溫度As，整理作圖及推定表明，這些合金難以實現(xiàn)330 K以上的形狀記憶性能。為此，作者又依據(jù)d電子合金設(shè)計法設(shè)計了β型高溫形狀記憶鈦合金。選擇Mo為β固溶型元素，可促進母相的固溶強化；選擇Al為α相形成元素，可促進α相的穩(wěn)定化，抑制ω相的生成，促進熱穩(wěn)定性。最終提出了Ti-6Mo、Ti-6Mo-3Al、Ti-6Mo-3Cu、Ti-6Mo-2Al-1Cu 4種合金。實驗結(jié)果表明，4種合金在高溫下均呈β單相。在400～823 K溫度范圍測定了As和Af(奧氏體相變終了溫度)，依據(jù)實驗的L字彎曲形狀的最大回復(fù)值，對應(yīng)上述4種合金依次為0.4%、1.4%、1.2%、0%。該結(jié)果與相分析結(jié)果相吻合，可見這些合金中Ti-6Mo-3Al合金具有最大的形狀記憶性能。由這些彎曲形狀回復(fù)值推算出As和Af，Ti-6Mo、Ti-6Mo-3Al以及Ti-6Mo-2Al-1Cu 的As點分別為570、520、510 K，Af分別為770、720、710 K。可見與Ti-Ni系相比，這些合金具備400 K以上的形狀記憶性能。

吳全興譯自《チタソ》

熱軋和熱處理對高強β鈦合金板材顯微組織和拉伸性能的影響研究

Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金是一種高強β型鈦合金。Z.X.Du等人研究了熱軋和熱處理工藝參數(shù)對該合金顯微組織和力學性能的影響。通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，該合金經(jīng)α+β兩相區(qū)軋制過后，晶粒得到充分破碎，比經(jīng)β單相區(qū)熱軋后的晶粒細?。唤?jīng)α+β兩相區(qū)固溶后，合金的晶粒比β單相區(qū)固溶后的晶粒小。拉伸測試發(fā)現(xiàn)，通過時效熱處理，合金組織中析出次生α相，致使合金的強度得到大幅度提升。經(jīng)790 ℃熱軋后，再經(jīng)800 ℃固溶+440 ℃時效處理后，合金強度達到1 744 MPa。隨著時效溫度的升高，合金強度減小，塑性升高。此外，合金的塑性主要取決于熱軋和固溶熱處理工藝參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在α+β兩相區(qū)進行熱軋和固溶熱處理后，合金具有優(yōu)良的塑性。由此可得，通過α+β兩相區(qū)熱軋和α+β兩相區(qū)固溶處理，能夠使得Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金材料具有優(yōu)良的塑性和較高的強度。

程軍譯自《Materials Science & Engineering A》

鈦合金高速變形過程中Johnson-Cook模型參數(shù)的確定與校驗

渦輪葉片是飛機發(fā)動機最主要的結(jié)構(gòu)件之一，長期工作在高溫環(huán)境下，且承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時葉片自身的離心力、氣動力、熱應(yīng)力以及振動負荷。在實際使用過程中，若葉片發(fā)生斷裂，會引起一系列災(zāi)難，其中最危險的情況就屬具有很高動能的斷裂葉片穿透發(fā)動機機匣，這樣不僅會損壞發(fā)動機，而且會造成整個飛機受損。因此，發(fā)動機機匣在破裂葉片沖擊之下的抗穿透性能是設(shè)計飛機渦輪發(fā)動機的關(guān)鍵參數(shù)。建立可靠、精確的抗穿透性能評價方法，是近年來全球飛機發(fā)動機工業(yè)的重要任務(wù)。將實驗研究和三維計算機模擬技術(shù)相結(jié)合是建立評價方法的基礎(chǔ)。Johnson-Cook模型可以用來描述材料在高速沖擊等極端條件下的變形行為，該模型的參數(shù)與應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變速度和溫度有關(guān)。但是獲得這些參數(shù)，需要大量的材料動態(tài)性能數(shù)據(jù)，即使使用最先進的實驗方法，也很難確定該模型的參數(shù)。

俄羅斯學者A.E.Buzyurkin等人提出了一種依據(jù)沖撞實驗確定Johnson-Cook模型參數(shù)的方法，能夠使鈦合金成形模擬計算更加可靠。在俄羅斯的Aviadvigatel OJSC實驗室，建立了一種能夠確定發(fā)動機機匣材料能量消耗特性和結(jié)構(gòu)的實驗裝置。在該裝置中，葉片高速旋轉(zhuǎn)，斷裂后沖撞機匣。采用不同材料、不同厚度的機匣以及葉片初始旋轉(zhuǎn)速度，分別進行了5組實驗。同時，基于LS-DYNA有限元軟件，進行了發(fā)動機葉片高速撞擊機匣的變形和斷裂過程的數(shù)值模擬。模擬實驗根據(jù)實驗情形采用三維模型，并選擇拉格朗日算法。機匣材料選用Johnson-Cook塑性模型(LS-DYNA Mat 15)以及適用于Mie-Gruneisen狀態(tài)方程的斷裂準則進行模擬。葉片材料選用分段式彈塑性模型(LS-DYNA Mat 24)進行模擬。采用單面接觸算法進行描述葉片和機匣的接觸過程。葉片和機匣全部采用8節(jié)點六面體完全積分實體單元進行離散，在可能出現(xiàn)較大變形或較大應(yīng)變梯度的地方，單元會更加細小。因此，在碰撞區(qū)域的厚度方向選擇6個單元。對模型網(wǎng)格劃分進行了收斂性測試，即不斷的細化網(wǎng)格并求解計算，當?shù)诙闻c上一次的結(jié)果基本一致時，則可以認為上一次的網(wǎng)格劃分是足夠的。

首先，通過準靜態(tài)加載，獲得了材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。其次，先給予材料模型參數(shù)一個初始值，通過模擬計算，與實際實驗結(jié)果進行對比，通過調(diào)整材料模型參數(shù)，當模擬葉片穿透機匣的殘余速度與實驗誤差較小時，則能夠確定該模型參數(shù)是合適的。最后，研究獲得了常用于制造飛機發(fā)動機機匣的VT6、OT4和OT4-0鈦合金材料的Johnson-Cook模型的8個參數(shù)，基于這些參數(shù)下的模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。

宋飛飛譯自《Aerospace Science and Technology》

Ti-6Al-4V合金脈沖激光拋光微裂紋產(chǎn)生機理與尺寸特征研究

脈沖激光拋光是一項新興的材料表面處理技術(shù)，可實現(xiàn)復(fù)雜型面的精密拋光、微區(qū)與選區(qū)拋光。在拋光過程中，金屬表面瞬時熔化后凝固，溫度場變化劇烈，金屬材料內(nèi)部及表面產(chǎn)生顯著殘余應(yīng)力，導(dǎo)致拋光表面產(chǎn)生微裂紋，嚴重影響金屬拋光件的使用性能。為研究脈沖激光拋光過程中微裂紋產(chǎn)生機理及拋光主要參數(shù)對微裂紋尺寸特征的影響規(guī)律,建立了脈沖激光拋光溫度場與應(yīng)力場的有限元計算模型。在有限元模型建立過程中,采用溫度場與應(yīng)力場的順序耦合方式,考慮了相變潛熱和隨溫度顯著變化的材料參數(shù),得到了溫度場與應(yīng)力場在時間上和空間上的變化規(guī)律。通過溫度場、應(yīng)力場以及Ti-6Al-4V合金的凝固過程分析,揭示了Ti-6Al-4V合金激光拋光過程中微裂紋產(chǎn)生機理與尺寸特征規(guī)律。通過脈沖激光拋光實驗驗證有限元計算模型的有效性，結(jié)果表明:Ti-6Al-4V合金激光拋光微裂紋產(chǎn)生于Ti-6Al-4V合金的凝固時刻,微裂紋的寬度決定于合金凝固時刻熱應(yīng)力引起的塑性變形,微裂紋的深度決定于激光拋光熔池深度;激光功率是微裂紋尺寸特征的主要影響因素,激光功率增大時微裂紋寬度及深度均顯著增大;在脈沖激光拋光中可通過外加預(yù)熱的方式減緩熔融態(tài)金屬的冷卻速度,以減小拋光后的表面裂紋,有效減小微裂紋尺寸特征。

摘自《西安交通大學學報》