钛合金加工表面完整性的研究现状与展望

钛合金作为航空发动机等高端装备零部件的关键材料,具有良好的高比强度、优异的抗腐蚀性与超强的断裂韧性与疲劳性能.作为典型的航空难加工材料,钛合金在制造过程中引起的表面完整性对其服役性能与可靠性有着至关重要的影响.为此,从切削加工、磨削加工、复合加工与特种加工4个工艺角度对钛合金制造过程中表面完整性的研究现状进行详细阐述....     

表面完整性对Ti6Al4V钛合金疲劳性能的影响

研究了Ti6Al4V钛合金表面喷丸强化及光饰处理后表面粗糙度、表面残余应力和表面层微观组织结构等表面完整性因素的变化及其对高周疲劳性能的影响。结果表明,Ti6Al4V钛合金对表面粗糙度和表面残余应力比较敏感,经喷丸强度为0.10~0.20mmA的强化后,受喷表面的残余压应力和粗糙度持续提高,Ti6Al4V钛合金的疲劳寿命增加值先升高后降低;后续光饰处理使强化后的材料表面粗糙度显著降低,促进了疲劳寿命进一步提高。表面完整性影响因素的平衡与协调对Ti6Al4V钛合金疲劳性能的提高有着非常重要的影响。     

表层改性技术,机械制造的“内科”——访表面改性技术专家,同济大学教授高玉魁

正高玉魁GAO Yukui同济大学航空航天与力学学院教授Professor,School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics,Tongji University教授、博导。主要研究方向为材料力学行为、表层改性工艺、结构完整性评价、表面完整性分析、残余应力、疲劳断裂、航空航天飞行器关键件的寿命预测与延寿技术等。曾在航材院从事航空航天零部件的表面强化与表面完整性研究     

喷丸、喷砂与HVOF WC-17Co涂层表面完整性对TC18钛合金疲劳性能的影响

为了探讨喷丸、喷砂与HVOF WC-17Co涂层表面完整性对Ti5Al5Mo5V1Cr1Fe(TC18)钛合金疲劳性能的影响规律和作用机制,利用X射线衍射仪(XRD)、表面粗糙度仪、显微硬度计、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线应力测试仪等分析了喷丸、喷砂及其复合超音速火焰喷涂(HVOF)WC-17Co涂层的表面完整性,利用旋转弯曲疲劳试验机研究了上述表面处理对TC18钛合金疲劳性能的影响规律。结果表明,喷丸预处理比喷砂预处理能够使TC18钛合金表面获得更好的表面完整性,因而显著提高了TC18钛合金的疲劳抗力,而喷砂处理对TC18钛合金疲劳抗力无明显影响。喷丸后进行HVOF WC-17Co涂层处理使TC18钛合金疲劳寿命提高6倍,原因归于喷丸层内仍保留数值较大、分布较深的残余压应力,有效延缓疲劳裂纹的萌生和早期扩展。喷砂后进行HVOF WC-17Co涂层处理使TC18钛合金疲劳抗力显著降低,原因是HVOF过程的高温效应使喷砂层内残余压应力场松弛,使喷砂表面缺口效应和损伤的不利影响作用突显,加之WC-17Co涂层韧性低、表面粗糙度大、存在孔洞型缺陷,不利于抗疲劳性能。     

喷丸强化对TC17钛合金表面完整性及疲劳寿命的影响

研究了喷丸强化对TC17钛合金表面完整性及疲劳寿命的影响。采用表面粗糙度仪、扫描电子显微镜、X射线残余应力测试仪、显微硬度计等分析了弹丸种类和喷丸强度对表面粗糙度、残余应力场、显微硬度场和微观组织的影响;在旋转弯曲疲劳试验机上测试了喷丸强化后的疲劳寿命,探讨了表面完整性与疲劳寿命的内在联系及作用机制。结果表明:喷丸强化后TC17钛合金表面粗糙度为0.5~1.0μm,残余压应力层为100μm左右,最大残余压应力位于表面下30μm处,表面出现加工硬化,晶粒发生了压缩变形;与未喷丸试样相比,玻璃丸对疲劳寿命的提升幅度最大,陶瓷丸次之,铸钢丸最小。喷丸强化提高疲劳寿命的机制归结于引入较深的残余应力层、较高的表面硬化程度和表层晶粒的细化。     

二次孔挤压强化对TB6钛合金疲劳性能的影响

为了提高TB6钛合金耳片孔的疲劳抗力,研究二次孔挤压强化对TB6钛合金耳片孔试样疲劳寿命的影响,采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线衍射仪、显微硬度计及金相显微镜等仪器对孔壁表面完整性进行分析,探讨二次孔挤压强化对疲劳寿命的增益机制。结果表明:相比过盈配合试样,二次孔挤压强化耳片孔试样的轴向拉伸疲劳寿命显著提高;经二次孔挤压强化后,孔壁表面完整性得到了显著改善;孔壁表面粗糙度显著下降;表层晶粒组织发生了明显的塑性变形;显微硬度显著提高;形成了较深的残余压应力场和组织强化层;孔壁表面完整性的改善对微动疲劳寿命的增益具有重要作用。     

不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响

为提升TC17钛合金抗疲劳性能,对其表面进行喷丸处理。通过旋转弯曲疲劳试验、断口分析、残余应力场分析、表层组织分析及喷丸前、后钛合金表面完整性分析等手段,开展不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响研究。结果表明：喷丸强化后钛合金表面粗糙度增大,由0.315μm变为0.5～1.0μm;表层发生塑性变形,晶粒发生细化;表面引入残余压应力,残余压应力层深约为125～151μm,最大残余压应力位于层深30μm附近处。0.3 mm·N喷丸状态旋转弯曲试样疲劳寿命优于其他状态试样,在740 MPa和840 MPa应力水平下,分别比未喷丸状态试样疲劳寿命提升4.5倍与7.5倍。疲劳寿命提升归因于试样表层晶粒细化、高密度位错组织及残余压应力对疲劳裂纹萌生与扩展的抑制作用。0.35 mm·N与0.4 mm·N喷丸状态试样疲劳寿命下降与喷丸强度过大时试样表面粗糙度高,并有脱层及微裂纹生成有关。     

GH4169高温合金车削表面完整性对疲劳性能的影响

通过车削和旋转弯曲疲劳实验,研究直接时效态GH4169高温合金车削进给量对表面完整性的影响,以及表面完整性对疲劳寿命的影响。结果表明:当进给量f从0.2 mm/r减小到0.02 mm/r时,表面粗糙度R_a从1.497μm减小到0.431μm;表面残余应力从拉应力状态逐渐转变为压应力状态;表面塑性变形层从8μm减小到2μm左右;表面应力集中系数是GH4169疲劳寿命的主要影响因素,随着表面应力集中系数增大,疲劳寿命显著下降;在实验参数范围内,当f=0.13 mm/r时,可获得好的表面完整性,表面应力集中系数K_(st)为1.166,表面显微硬度为405.27HV_(0.025),表面残余应力为82.08 MPa,获得的平均疲劳寿命为6.98×10~4周次;车削表面疲劳断口具有多源疲劳断裂特征,疲劳源起始于试件加工表面的缺陷处。     

加工表面完整性对GH4169高温合金疲劳断口形貌的影响

通过扫描电镜观察ＧＨ４１６９高温合金常温与高温低周应力控制疲劳断口的宏观形貌与微观形貌，用断裂力学理论分析了ＧＨ４１６９高温合金疲劳断口的宏观形貌和微观形貌的特征、疲劳断裂的过程以及表面完整性对疲劳断口的宏观形貌和微观形貌的影响规律     

锻造TC4钛合金电子束焊接接头的疲劳破坏机制

对锻造TC4钛合金电子束焊接(EBW)接头进行了应力控制的高周疲劳试验和应变控制的低周疲劳试验,利用扫描电子显微镜对疲劳断口进行观察与分析,研究了疲劳裂纹的起裂机制.研究结果表明:所有的高周疲劳试样裂纹起裂位置和最后断裂位置均发生在母材区,而低周疲劳试验试样断裂位置表现出不确定性,在焊缝区和母材区均可导致裂纹起裂.高周疲劳载荷下,裂纹起源于表面滑移;低周疲劳时,裂纹可能在接头母材区的表面起裂,也可能在接头焊缝的内部缺陷处起裂,裂纹起裂模式取决于载荷大小.      

镁合金和其他金属及合金的焊接

综述了镁合金与异种镁合金、铝合金、钢、铜及其合金、钛及其合金异种材料焊接的国内外研究现状,并指出最新发展动态及未来发展趋势。     

超轻型Mg—Li合金

Ｍｇ－Ｌｉ合金具有高的比强度和比模量,在航天及航空等领域中具有广阔的发展前景。本文详细介绍了Ｍｇ－Ｌｉ合金的发展现状及性能改善的途径。     

钛合金的切削加工

分析了钛合金的切削加工性 ;阐述了钛合金切削加工中通常应注意的问题 ;在此基础上 ,提出了在钛合金车、铣、磨、钻、铰、攻丝加工中应采取的工艺措施     

TiAl 与TC4 扩散焊接接头的组织与性能

主要对TiAl基金属间化合物与TC4的扩散连接技术进行了研究。通过对钛铝基合金进行热处理,获得了高温性能良好的全片层组织;通过对扩散连接后的接头进行组织结构、力学性能和断口的分析发现,在915℃/80 MPa/1 h的扩散连接条件下,TiAl基合金与TC4实现了冶金结合,在室温、400和500℃下,接头的抗拉强度分别达到了TiAl母材的91.77%、95.27%和99.21%。     

Sn和Sn合金电镀

介绍了多种含有苯并唑类磺酸化合物的Sn和Sn合金镀液 ;试验获得外观良好镀层的电流密度范围 ,并对镀层的可焊性作了评估。     

一种Al-Cu-Li合金的超塑性性能研究

采用金相(OM)及透射电子显微技术(TEM)对一种Al-Cu-Li合金的显微组织进行观察,对于该合金普通热轧板及超塑性预处理后的细晶板材进行高温拉伸试验.结果表明,该合金普通的热轧板经过快速再结晶退火延伸率可达94%～130%的高温塑性变形仍以晶内变形为主.经超塑性预处理的细晶板材当T=490℃,ε=10-3s-1时,延伸率为630%,其中时效24h的样品在较低温度下成形为晶内变形和晶界变形的混合模式,而时效48h的样品则在400～500℃都表现为晶界变形为主的超塑性变形模式.未经过再结晶退火比经过再结晶退火的样品具有更高的超塑性.     

钛合金热成形模具

由于钛合金在力学性能上具有屈强比高、弹性模量小等特点,成形上表现为变形范围窄、易开裂、回弹大和尺寸精度难于保.证为克服上述钛合金成形难点,一般需将其加热到较高的温度进行成形.本文重点讨论了钛合金热成形模具的材料选择及设计,并提出了热成形模具标准化是未来的重点发展方向.     

高温合金材料冷加工技术

论述了高温合金GH4169的性能、加工方法、切削参数、刀具材料、冷却介质以及加工过程中应注意的事项。     

铝合金时效成形的试验研究

应用应力松弛理论,分析时效成形的影响因素,设计误差可调的纯弯曲变形试验装置,通过正交试验获得T、t、RO对目标η的影响的主次顺序,研究结果为建立成形参数与弯曲半径之间的函数关系以及回弹预测提供参考依据.     

飞机钛合金构件热损伤检测试验

为准确检测和修理飞机钛合金构件的热损伤,选用TA4、TC9进行热损伤模拟试验,对材料在不同温度下的力学性能、电导率与加热温度的关系进行了分析。结果表明,TA4、TC9的强度、硬度和电导率随温度的上升呈单调变化趋势;硬度和电导率均可作为钛合金热损伤的检测参数。