选区激光熔化TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

选区激光熔化增材制造(AM-SLM)技术广泛应用于钛合金结构部件制造.SLM钛合金材料疲劳性能具有明显各向异性.研究SLM钛合金在不同方向载荷下的疲劳裂纹扩展行为对于航空结构耐久性/损伤容限设计具有重要意义.基于此,本文设计了与打印方向呈0°、45°、75°和90°的4种不同取样角度及未处理和热处理的钛合金紧凑拉伸试验...     

钛合金结构损伤容限设计可行性研究

对飞机结构常用金属材料损伤容限特性进行了对比分析,针对TC4和TA15损伤容限特性较差的缺点,研制出两种超低间隙（ELI）钛合金TC4ELI和TA15ELI,并对其进行结构损伤容限设计可行性论证。进行了两种超低间隙钛合金和普通钛合金裂纹扩展寿命、剩余强度和疲劳全寿命对比实验。实验结果表明：具有片层组织的超低间隙钛合金相对于普通成分钛合金断裂韧性和裂纹扩展特性有明显改善,剩余强度和疲劳全寿命相当;应力水平相当时,超低间隙钛合金工程可检裂纹扩展寿命比航空结构中常用铝合金稍长。因此,对于超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI可以进行损伤容限设计。     

增材制造钛合金的裂纹扩展行为的晶体塑性有限元分析

本文通过Abaqus和MATLAB,结合扩展有限元建立了一种基于Voronoi图的晶体弹塑性有限元模型。为验证该模型,模拟了晶体取向对激光熔化沉积TC18静力性能和疲劳裂纹扩展的影响。结果表明,该模型能够重现试验现象,并一定程度上揭示产生这种现象的原因。能够有效描述金属晶体的各向异性响应,并能为增材制造钛合金疲劳裂纹扩展分析和以提升损伤容限性能为目的的工艺优化提供有益参考。     

不同热处理工艺下激光增材制造TC4钛合金组织与性能研究进展

由于激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)TC4钛合金加工成形过程的特殊性,导致该合金在力学性能上存在明显的各向异性,同时韧性、疲劳性能不能很好地满足使用要求。从材料组织与力学性能之间的关系出发,介绍了不同热处理工艺对激光增材制造TC4钛合金组织与力学性能的影响,指出了当前激光增材制造TC4钛合金热处理研究中存在的问题,并为后续激光增材制造TC4钛合金的热处理研究提供思路与方向。     

基于双峰对数正态分布模型的DED-TA15钛合金DFR值估计方法

有效评价增材制造金属材料的疲劳强度，是增材制造技术应用于可重复使用飞行器主承力结构的关键。以DED-TA15钛合金为研究对象，基于3种应力水平下标准圆棒试件的成组疲劳试验结果，建立了描述DED-TA15钛合金疲劳寿命分布的双峰对数正态分布模型，采用EM算法，建立了双峰对数正态分布的参数估计方法；采用Bootstrap方法给出了指定置信度和可靠度要求的疲劳寿命计算方法。在军机DFR方法的基础上，给出了适用于DED-TA15钛合金的DFR值计算方法。与传统单峰对数正态分布相比，双峰对数正态分布更精确的描述了疲劳寿命分布，提高了高可靠度和高置信度要求下的疲劳寿命，DFR值也有所提高。该方法降低了因描述模型不精确导致的对设计许用应力的过度限制，有效的提高DED-TA15钛合金的使用潜力。     

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。     

激光快速成形TA15钛合金切削加工性能研究

与整体锻造等钛合金传统制造技术相比,钛合金构件激光快速成形技术具有组织细小均匀、综合力学性能优异,无需锻造加工及锻造模具,材料利用率高、机械加工余量小、数控加工时间短、柔性高效等突出优点。通过近10年的攻关,我国已率先实现激光快速成形大型钛合金主承力构件的装机应用。     

增材制造钛铝合金研究进展

钛铝合金具有轻质、高强、耐高温等优异特性,在航空领域,特别是在航空发动机涡轮叶片上具有重要应用价值。然而,钛铝合金的室温脆性大、热变形能力低,使得采用传统的锻造、精密铸造、粉末冶金等技术均难以制造具有复杂形状,特别是具有内部空腔结构的钛铝合金叶片,限制了其性能的进一步提升。增材制造技术能够突破形状的制约,有望发展成为制造钛铝合金复杂结构零部件的新技术。目前,应用于钛铝合金的增材制造技术主要有电子束选区熔化、选区激光熔化和激光金属沉积。本文调研了增材制造钛铝合金领域2010~2020年的文献,对上述3类增材制造技术的原理和特性、所使用合金粉末的特性、打印构件的相组成、组织形貌和热处理工艺、宏观和微观力学性能及其在航空领域的应用等研究进行了对比分析和评述,并对增材制造钛铝合金发展中所存在的问题及下一步研发重点进行了总结和探讨。     

大规格损伤容限钛合金TC4-DT的研制及应用

为了满足新一代战斗机对大规格损伤容限钛合金的需求，开展了TC4-DT钛合金大规格棒材与锻坯的成分与组织控制、大型锻件热处理过程中的显微组织控制、材料与锻件的制造过程控制、零件的疲劳强化等研究。经过大型铸锭熔炼、大规格棒材和锻坯试制、大厚度锻件试制、结构设计与制造，结果表明：损伤容限钛合金TC4-DT大型铸锭的成分均匀、大型锻坯和大厚度锻件的抗拉强度变异系数降至约2%，激光冲击、喷丸和冷挤压等对该合金的寿命增益效果显著。损伤容限钛合金TC4-DT在新一代战斗机上获得了广泛应用。     

TC17钛合金惯性摩擦焊接头室温断裂韧性测试与分析

TC17钛合金主要用于航空发动机整体叶盘、转子和大截面锻件的制造。采用惯性摩擦焊工艺制造航空发动机压气机整体转子能够减少零件数量并有效地提高结构刚度。通过对TC17钛合金惯性摩擦焊接头断裂韧性的测试,可为钛合金惯性摩擦焊整体转子损伤容限分析提供技术和数据支持。     

TC18钛合金增材制造材料超声检测特征的试验研究

针对TC18激光、电子束增材制造钛合金及变形钛合金3种不同制造工艺的材料开展超声检测特征试验研究。结果表明,TC18钛合金增材制造材料不同成形方向的超声波声速、材料衰减及检测灵敏度均存在较大差异,与变形钛合金相比具有明显的方向性。本研究结果对于增材制造制件的超声检测方法研究具有重要参考价值。     

模拟打伤/抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响

研究了无缺口、打伤缺口和3种抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响。结果表明,无缺口模拟叶片的疲劳寿命最长且寿命分散性最小,打伤缺口模拟叶片的疲劳寿命最短且寿命分散性最大,3种抛修缺口模拟叶片的疲劳寿命介于前两者之间,其中抛修缺口Ⅰ模拟叶片的疲劳寿命最长。无缺口和抛修缺口模拟叶片的疲劳裂纹均起源于叶片根部,打伤缺口模拟叶片的裂纹产生于缺口底部,与有限元模拟计算的最大应力位置吻合。模拟叶片的疲劳断裂区比较平坦,呈半椭圆形貌,疲劳源区主要位于模拟叶片表面的微小损伤处,疲劳扩展区具有典型的疲劳弧线特征,并呈现沿α/β片状组织界面开裂的特征。     

Experimental study of effect of post processing on fracture toughness and fatigue crack growth performance of selective laser melting Ti-6Al-4V

For Ti-6Al-4V, a titanium alloy increasingly used in aerospace structure, selective laser melting (SLM) is an attractive additive manufacturing technology, which is attributed to its complex construction capability with high accuracy and good surface quality. In order to obtain qualified mechanical properties, SLM parameters and post processing should be tailored for diverse service conditions. Fracture toughness and fatigue crack growth (FCG) behavior are critical characteristics for damage tolerance evaluation of such metallic structures, and they are affected by post processing technologies significantly. The objective of this study is to obtain the fracture toughness and fatigue crack growth behavior of Ti-6Al-4V manufactured by SLM, and to evaluate the influence of post-SLM thermomechanical treatment and surface machining. Fracture toughness and FCG tests were performed for SLM Ti-6Al-4V in three types of post processing status: as-built, heat treated and hot isostatically pressed (HIPed), respectively. Specimens with as-built and machined surface were tested. The microstructure and fractography were analyzed as well in order to investigate the relevance among manufacture process, microstructure and mechanical properties. The results demonstrate that as-built SLM Ti-6Al-4V presents poor ductility and FCG behavior due to martensitic microstructure and residual stresses. Both heat treatment and hot isostatic pressing improve the plane-stress fracture toughness and FCG performance considerably, while surface machining shows slight effect.     

激光喷丸强化TC6钛合金的振动疲劳寿命及断口形貌分析

为了研究TC6钛合金激光喷丸强化(Laser Shocking Peening,LSP)处理后对振动疲劳寿命的影响,采用不同喷丸次数的方法对TC6钛合金进行LSP处理,采用振动疲劳测试系统对振动试样进行振动疲劳测试,用X射线衍射仪和显微硬度计测试LSP前后试样的残余应力和硬度,研究LSP对TC6钛合金振动疲劳性能的影响...     

激光沉积Ti-6Al-2Zr-Mo-V钛合金高周疲劳性能

 疲劳失效是钛合金工业应用中最重要的失效方式,疲劳强度是钛合金应用的关键性指标。为了研究激光沉积Ti-6Al-2Zr-Mo-V钛合金的疲劳性能和行为,在625 MPa到900 MPa不同应力水平下进行了室温高周疲劳(HCF)测试(应力比R=0.1,加载频率f=120~130 Hz),完成了疲劳断口表面分析。研究了气孔存在及分布对激光沉积Ti-6Al-2Zr-Mo-V钛合金疲劳性能的影响。激光沉积钛合金具有细小α/β片层组织。分析结果显示,虽然疲劳源区有气孔存在,激光沉积Ti-6Al-2Zr-Mo-V钛合金仍然具有优异的疲劳性能。取向丰富细小的α/β片层组织能有效减小疲劳源区滑移长度。分析结果还表明,应力水平对疲劳行为有一定影响。     

激光冲击强化对钛合金高温微动疲劳寿命的影响

为了解高温工作环境下激光冲击强化工艺(LSP)对钛合金材料微动疲劳寿命的影响,开展了强化前后TC11钛合金在室温、300°C和500°C下的微动疲劳试验并测试了试验件表层的残余应力及硬度。结果表明:随着温度的升高,激光冲击强化对TC11钛合金微动疲劳寿命的提高倍数逐渐减小。在轴向载荷为400MPa,法向载荷为65.5MPa时,经激光冲击强化后TC11钛合金试验件在室温、300°C和500°C下的微动疲劳寿命分别为强化前的5.5倍、3.5倍和1.7倍;强化后试验件表层的残余应力会在高温下发生松弛,且松弛程度会随温度的升高而增大,这是激光冲击强化效果随温度升高而逐渐弱化的主要原因。     

高温合金与钛合金的激光快速成形工艺研究

对Rene95高温合金及TC4钛合金的激光快速成形工艺进行了较为深入的研究.研究结果发现,和Rene95高温合金相比,激光快速成形TC4钛合金的工艺条件较为苛刻,表现在粉末粒度范围狭窄,要求更高的激光功率密度,成形过程中熔覆组织易于被保护气氛中的O,N,H等杂质元素污染.但是,另一方面,工艺参数选择适当时TC4钛合金在成形过程中不易开裂,因而大尺寸、复杂形状零件的激光快速成形较易实现.     

电镀硬铬工艺对TC6钛合金性能的影响研究

研究了电镀硬铬工艺对TC6钛合金的影响,利用氢测定仪、拉伸试验机、疲劳试验机等设备对镀铬后TC6钛合金的氢含量、力学和疲劳等性能进行了研究。结果表明:TC6钛合金电镀硬铬后基体氢含量显著提高,氢含量合格但接近上限,不能通过氢脆实验。建议TC6钛合金电镀硬铬工艺不应用在高应力集中及高承载部位,以避免氢脆发生。抗拉强度基本不变,伸长率和断面收缩率有所降低,分别降低17.3%和24.0%。TC6钛合金电镀硬铬后由于镀层造成的残余拉应力,使得疲劳极限显著降低,由626.0MPa降低至201.3MPa。