高温合金K38G微晶涂层氧化动力学研究

研究了溅射微晶涂层对K38G在800℃和900℃空气中氧化动力学的影响。发现微晶化后K38G的氧化动力学与经典的抛物线规律存在负偏差。分析认为,微晶化后氧化物形核率大大提高,氧化膜中的扩散由晶格扩散变为晶界短路扩散为主,从而改变了氧化膜的生长动力学。根据Wagner高温氧化的基本理论,对微晶合金高温氧化动力学规律进行了探讨,导出微晶K38G合金氧化动力学遵循四次方规律,即x4=kPt。     

基于损伤容限设计的钛合金层合接头制造

钛合金层合结构因具有较高的损伤容限而获得重视,并成为超塑成形/扩散连接技术应用的一个新方向。本文提出一种含圆形扩散止焊区的层合板结构,通过与原始板材的疲劳裂纹萌生和扩展寿命相对比,结果表明含止焊区的层合板能改善钛合金的裂纹扩展特性,并以此为基础设计并制造了含止焊区的钛合金层合接头,验证了采用现有扩散连接工艺技术制造钛合金层合接头的工艺可行性,其微观组织和各项性能等基本能满足对一般钛合金的设计使用要求。该研究成果为高损伤容限性能钛合金扩散连接层合结构在机翼梁、框等异型截面构件上的应用奠定了技术基础。     

热氧化对TA18钛合金耐腐蚀磨损性能的影响

选用TA18钛合金为材料,在箱式电阻炉中对其进行不同温度热氧化处理。利用光学显微镜(OM)、XRD、维氏硬度计、36%～38%(质量分数)HCl溶液浸泡、摩擦磨损试验机等试验手段考察试样组织形貌、物相、显微硬度、耐蚀耐磨损性。研究结果表明,TA18钛合金热氧化后试样表面形成了氧化层,表层物相主要为金红石型TiO₂,随着热氧化温度升高,氧化层逐渐出现少量Al₂O₃。同时,500～850℃热氧化,随着热氧化温度升高,试样表面硬度逐渐提高,但超过800℃后随温度升高表面硬度反而降低。热氧化可提高TA18钛合金耐腐蚀性和磨损,其中800℃是提高TA18钛合金在36%～38%HCl中耐腐蚀的最佳热氧化温度;700℃是改善TA18钛合金摩擦磨损性能的最佳热氧化温度。     

阳极氧化膜厚度对TB8钛合金表面特性及其粘结性能的影响

采用以酒石酸钠为主盐的电解体系对TB8钛合金进行阳极氧化,研究阳极氧化膜厚度对TB8钛合金表面特性及其与环氧树脂粘结性能的影响。采用SEM、XRD和EDS分析了阳极氧化膜的微观形貌和晶体结构,采用角接触测量仪和三维视频显微镜分别对阳极氧化膜的表面润湿性和粗糙度进行测量。研究了不同厚度TB8钛合金阳极氧化膜的粘结性能与表面形貌、相组成、润湿性及粗糙度的关系。结果表明:采用以酒石酸钠为主盐的电解体系对TB8钛合金进行阳极氧化处理,氧化时间为15 min,电压为1~30 V时,能够在钛合金表面形成一层1~4μm厚的阳极氧化膜;氧化膜主要由金红石型和锐钛型TiO₂混合晶体组成,其表面具有微纳多孔的粗糙结构;随着厚度的增加,阳极氧化膜对水的润湿性能逐渐增强。当氧化膜厚度为3μm时,可获得最大粘结强度为19.6 MPa,相对于母材提高了88.5%,同时,水接触角为43.2°,相对于其母材减少了56.1%;粗糙度为2.14μm,相对于母材提高了137.8%。     

钛合金稀土阳极化成膜过程的电化学研究

 对钛合金稀土阳极氧化的电化学过程进行了研究;重点研究了钛合金稀土阳极氧化的成膜过程;分析了不同硫酸浓度,不同成膜电压条件下,电化学参数的变化,讨论了稀土阳极氧化膜的形成机理;通过对阳极氧化膜的 SEM微观形貌图及其他电化学参数的分析,推断氧化膜为分层结构;在一定温度和电压下,对电极电位的变化进行了研究,探讨了稀土阳极氧化膜的形成过程和导电机制;提出了稀土阳极氧化膜是由具有一定半导体特性和电容性的致密层与多孔层构成的,整个成膜过程中导电是由空穴、铈盐离子和溶液离子共同完成的。     

酒石酸钠体系中TC18钛合金阳极氧化膜的制备、表征与疲劳性能

在以酒石酸钠为成膜剂的新型无氟环保电解液体系中对TC18钛合金进行阳极氧化,制备出一种钛合金阳极氧化膜。通过扫描电子显微镜和拉曼光谱仪分析了阳极氧化膜的形貌和相结构。采用电化学方法研究了阳极氧化后TC18钛合金的耐腐蚀性能。采用万能高频疲劳试验机进行高频疲劳试验。结果表明：膜层具有沟壑与鼓包的表面形貌。膜层具有非晶态、锐钛矿型及金红石型TiO₂结构,可能有板钛矿TiO₂结构。阳极氧化后TC18钛合金的耐蚀性有显著的提高。阳极氧化后TC18钛合金的拉伸性能与疲劳性能基本不降低,相比于传统硫酸-磷酸型阳极氧化,拉伸性能和疲劳性能得到了一定的改善。     

TC21钛合金慢速冷却过程中的相组成及组织演化

采用X射线衍射、金相显微镜和扫描电镜研究了TC21合金自β相区慢速冷却过程中相组成及微观组织变化。结果表明:慢速冷却过程中,TC21合金主要的相转变为β→α,且有少量金属间化合物,如Ti2AlNb(O)相和Ti2AlNb(B2)相析出;以1℃/min速率冷却过程中,α相在晶界形核,并向晶内长大,晶粒内部没有形核,形成全片层组织,以5℃/min速率冷却过程中,晶界与晶内均形核,并竞争生长,形成有少量网篮状形貌的片层组织;冷却速率对合金室温态组织特征(α片层厚度、α集束大小、α片层体积分数)的影响很大,随着冷却速率的增大,α片层厚度、α集束、α片层体积分数均减小。     

Ce在钛合金阳极化中作用的研究

 研究了 Ce元素在钛合金阳极氧化中的作用。通过对普通工艺和稀土工艺之间氧化膜微观形貌的对比,讨论了 Ce元素对氧化膜完整性的影响。利用能谱分析,说明了 Ce元素加入可以使钛合金表面氧化较为充分,并且 Ce元素参与了氧化膜的组成。采用局部成分分析法确定了膜层的横向分布范围。对氧化膜截面的SEM图进行分析,讨论了 Ce元素对钛合金阳极氧化膜厚度的影响。利用动电位扫描,对普通氧化膜和稀土氧化膜的耐点蚀性进行了比较,表明 Ce盐的加入可以提高钛合金氧化膜抗点蚀的能力。     

钛合金无光黑色阳极化工艺研究

本文介绍了钛及其合金在碱生溶液及酸性溶液配方中的戍嚷情况,重点研究了形成无光黑色阳极氧化膜的电流密度、氧化电压、氧化时间、溶液的介质成分、槽液温度、数控脉冲电源等对钛合金氧化膜层结构的影响,并对氧化膜层进行了各种性能测试,由此得出了适宜的制造工艺参数。     

航空发动机用TC11钛合金抗点燃性能及机理研究

采用摩擦点燃方法研究摩擦接触压力P和预混气流氧浓度c0对TC11钛合金抗点燃性能的影响,建立定量描述TC11钛合金抗点燃性能的P-c0关系,并结合原位观察、SEM和EDS等手段给出TC11钛合金点燃与抗点燃的微观机理。结果表明,TC11钛合金的P-c0关系曲线符合抛物线规律,P从0.05MPa增至0.25MPa时,点燃对应的c0降低约32.5%;TC11钛合金点燃的c0至少比TC4钛合金高20%,即TC11钛合金的抗点燃性能显著高于TC4钛合金;摩擦过程产生强烈的火花,着火首先发生在具有原生金属表面的微凸体上;点燃过程形成燃烧区、熔凝区、热影响区和过渡区四个具有不同特征的区域;富Al和Mo的钛基固溶体相降低热影响区Ti向熔凝区的扩散速率,限制燃烧区Ti与O的优先反应,并与熔凝区O的大量固溶共同阻止O向热影响区的继续扩散,从而提高微凸体的抗点燃性能。     

GH220/Ti──N/CoCrAlTaY/Al三层复合涂层的界面稳定性及其自分层行为研究

 GH220/Ti-N/CoCrAlTaY/Al三层复合防护涂层经扩散退火后，各层间结合较好，Ti-N组织稳定，Al全部扩散进入CoCrAlTaY内部，形成β-CoAl相。1000℃时效试验发现，Al内扩散导致CoCrAlTaY分层，形成7个亚层（不包括氧化膜及Ti-N膜）,其中包括3个富Ta层、2个高Al及2个正常CoCrAlTaY层。各亚层间界面随时效时间延长而趋于平直、连续、完整。在一些亚层内侧观察到Kirkendal空穴，其形成与元素的外扩散有关。分析了GH220/Ti-N界面扩散区的形成原因，建立了富Ta层形成模型。     

激光冲击对TC11钛合金组织和力学性能的影响

对TC11钛合金进行激光冲击强化处理,通过透射电子显微镜观察不同参数下TC11钛合金的微观组织变化,用显微硬度计和X射线应力测试仪分别测试材料表层硬度和残余应力,并通过TC11钛合金标准疲劳试片高周振动疲劳试验验证激光冲击对其疲劳性能的影响.试验结果表明:激光冲击波作用后表面组织结构发生明显变化,当冲击次数增加,先后出现了高密度位错、位错胞和纳米级晶粒等微观组织特征.冲击10次后,表面残余应力最高达到-632.5MPa,相应的塑性变形层深度达到1500μm左右;同时表面硬度在冲击1次即可提高19%,硬度影响深度为700μm,随着次数增加而提高,但幅度不大.经3次冲击处理的TC11钛合金标准疲劳试片的疲劳极限由原始483MPa提高到593MPa.      

TC11合金燃烧特性初步研究

钛火严重威胁航空发动机用钛安全,开展钛合金燃烧特性研究是发动机合理用钛及采取有效防范措施的基础。通过液滴引燃试验法初步研究了TC11合金的燃烧特性,分析了燃烧的过程特征、试片温度与氧气含量(分压)对启燃的影响及燃烧表面的微观组织。结果表明:在压缩空气/氧气作用下,TA1液滴发生燃烧并将TC11合金试片引燃,燃烧过程中反应剧烈,喷射出大量火花;随着TC11合金试片温度的提高,引燃所需的临界氧气分压逐渐降低;TC11合金试片的烧损表面形成了氧化层,从表面到内部呈现出疏松区、致密区和燃烧影响区三种典型的组织区。     

TC4＋TC17线性摩擦焊接头的微观组织与力学性能

进行了TC4+TC17异种钛合金试件的线性摩擦焊实验,利用光学显微镜、扫描电镜及透射电镜分析了焊接接头的微观组织,并进行了焊后接头的力学性能测试.着重分析了焊接接头的焊缝、近缝区及变形区的组织特点及相变规律,并结合线性摩擦焊的工艺特点,初步分析了形变组织的形成机理.实验结果表明,利用合理的焊接工艺参数,用线性摩擦焊方法可获得可靠的Tc4+TC1钛合金焊接接头,接头的拉伸性能优于TC4母材.TC4与TC17接头的焊缝区为等轴细品组织,两侧近缝区、变形区的组织形貌差异较大.     

Ground-based Investigations of Atomic Oxygen Erosion Behaviors of Silver and Ion-implanted Silver

Silver foils and ion-implanted silver foils exposed to atomic oxygen (AO) generated in a ground simulation facility were investi-gated by the quartz crystal microbalance (QCM), the scanning electron microscopy (SEM) and the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The experimental results show the presence of Ag2O and AgO in an oxidation process of the silver foil having exposure to AO. As soon as silver comes under the bombardment of atomic oxygen, the oxidation process starts with a thick film forming on the silver surface. Because of the development of stresses, the oxide layer gets cracked and spalled, which leads to appearance of a new silver surface intensifying further oxidation. At last, AgO begins to form on the outer surface of the oxide film. The analytical results of the XPS and the AES attest to formation of a continuous high-quality protective oxide-based layer on the surface of ion-implanted silver films after exposure to AO. This layer can well protect materials in question from erosion.     

Substructure evolution in two phases based constitutive model for hot deformation of TC18 in α + β phase region

The α + β dual phase titanium alloys are key structural materials in aviation and aerospace industries, and the complicated flow behavior of these titanium alloys during hot deformation requires to establish a constitutive model incorporating physical mechanism for optimizing processing parameters and designing forming tools. This work aims to establish a constitutive model incorporating physical mechanism for hot deformation of TC18 in α + β phase region. Firstly, the flow behavior and microstructure evolution for hot deformation of TC18 in α + β phase region are characterized. The TC18 shows significant strain hardening rate and negative strain hardening exponent around and after peak flow stress, respectively. After peak flow stress, Dynamic Recovery (DRV) mechanism dominates the evolution of α and β phases according to the results of substructure evolution. Then, the internal state variables method is applied to establish a constitutive model incorporating physical mechanism for hot deformation of dual phase titanium alloys. The variation of dislocation density during the hot deformation of titanium alloys is modeled by considering the accumulation of dislocation due to the impediment to dislocation movement by substructure obstacles and the annihilation of dislocation due to the dynamic restoration effect. The interaction between dislocations, the subgrain boundaries and the grain/phase boundaries obstruct the dislocation movement in the α phase, and the first two obstructs the dislocation movement in the β phase during the hot deformation of TC18. The dislocation annihilation process in the α and β phases during the hot deformation of TC18 is dominated by DRV. Finally, the substructure evolution in the two phases based constitutive model for hot deformation of TC18 in α + β phase region is presented. This model is well applied to predict the flow stress and quantitively analyze the role of DRV effect in the evolution of α and β phases during the hot deformation of TC18.     

Influences of pulse frequency on formation and properties of composite anodic oxide films on Ti-10V-2Fe-3Al alloy

A thick composite anodic oxide film was fabricated in an environmentally friendly malic acid electrolyte containing PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) nanoparticles on Ti-10V-2Fe-3Al alloys. The influence of pulse frequency on the morphology, microstructure and composition of composite anodic oxide films containing PTFE nanoparticles was investigated using Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) equipped with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM) and Raman spectroscopy. The tribological properties in terms of the friction coefficient, wear loss and morphology of worn surfaces were measured by ball-on-disc tests. The electrochemical property was evaluated by potentiodynamic polarization. The results indicated that the titanium dioxide of composite anodic oxide films transformed from anatase to rutile with the change of pulse frequency, which could result from the electrochemical dynamic equilibrium. The combination of PTFE nanoparticles and malic acid electrolyte molecules can influence the energy fluctuation of electrochemical equilibrium and formation of composite anodic oxide films. Moreover, composite anodic oxide films fabricated under the condition of 1.0–2.0 Hz exhibited the best wear resistance and corrosion property. The schematic diagram of the film formation and PTFE nanoparticles spreading process under different frequencies was elucidated.     

TC4钛合金切削中切屑塑性变形分析

对TC4钛合金切削过程中锯齿形切屑形成过程和切削力的关系进行了实验研究,并对锯齿形切屑形成中微观塑性变形区进行了分析。结果表明:当切削速度大于48.75 m/min时,切屑由带状转变为锯齿形。锯齿形切屑的形成导致了切削过程中切削力的波动变化,切削力与切屑的锯齿形变化规律一致,锯齿形切屑形成中塑性变形区的宽度随切削速度的增加而减小。     

TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头组织特征及其形成机制

研究TC4-DT损伤容限型钛合金线性摩擦焊(linear friction welding,LFW)接头的组织特征及形成机制。利用光镜和扫描电镜对接头各区域微观组织进行表征,利用显微硬度计测试接头的显微硬度分布。结果表明:接头焊缝区(WZ)发生动态再结晶,焊接过程中WZ温度超过β转变点,焊后快冷的条件下发生了β→α′及β→α两种相变并析出了大量α′马氏体以及二次层片α;TC4-DT钛合金母材(BM)组织具有较高的变形抗力,使得接头形成的热力影响区(TMAZ)较窄。TMAZ内组织在强烈的热力耦合作用下拉长变形并破碎,焊后快冷的条件下析出少量α′马氏体及大量二次层片α;毗邻TMAZ的热影响区(HAZ)基本保留了BM不同位向的α集束的组织特征,但受热的影响α集束内α/β相界两侧元素相互扩散,层间β消耗,初生α长大;WZ组织的细晶强化和第二相强化,TMAZ组织的应变强化和第二相强化,以及HAZ内α相的长大使得接头上述区域显微硬度均高于BM。     

铝锂合金超塑成形/扩散连接技术研究进展

轻量化材料与结构是现代航空航天工业的发展方向。铝锂合金密度小,比强度、比弹性模量高,是理想的航空航天材料。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有整体性好、设计自由度大、成形精度高、无残余应力等优点,而且能够大幅减重、降低成本,广泛应用于航空航天领域。针对航空航天领域对新一代复杂多层结构件整体化和轻量化的迫切需求,回顾了国内外铝锂合金的发展历程,介绍了国内外铝锂合金超塑成形、扩散连接以及超塑成形/扩散连接组合技术的发展现状及其在航空航天领域的应用,指出铝锂合金表面致密稳定氧化膜是阻碍其扩散连接接头质量提升的瓶颈问题,讨论去除铝锂合金表面的氧化层以及防止新的氧化层再生的相关工艺与机理,最后展望了铝锂合金超塑成形/扩散连接技术在航空航天领域的应用前景以及未来研究方向。