TA15钛合金局部减重中空双层结构超塑成形/扩散连接工艺

在应变速率为0.001 s^-1、0.005 s^-1、0.01 s^-1,温度为880℃、900℃、920℃、940℃的条件下对TA15钛合金进行了高温拉伸试验,材料在920℃以上、0.005 s^-1以下的延伸率可超过500%,具有优异的超塑性能。计算了TA15钛合金的本构方程及在应变速率为0.005 s^-1时,不同温度下的应变敏感性指数m值和材料常数K值。通过超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺,采用有限元模拟对双层结构件的壁厚分布进行分析,并获得了气压加载压力–时间曲线。在温度为920℃时,采用预镂空面板制得了局部减重的中空双层结构件,最小壁厚为0.31 mm,采用超声波C扫描对零件的扩散面积进行分析,结果表明,焊合率高于95%。     

超高强度不锈钢热变形行为及加工图

采用Thermecmaster-Z热模拟试验机对10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE (S280)超高强度不锈钢进行变形温度800～1150℃、应变速率0.001～10 s^-1、压下率70%条件下的等温恒应变速率压缩实验,分析其热变形行为,并构建基于Murty失稳准则的加工图。结果表明：S280超高强度不锈钢的流变应力对变形温度和应变速率较为敏感,随应变速率增加和变形温度降低,流变应力显著升高。通过加工图分析和变形微观组织观察,S280超高强度不锈钢的失稳变形工艺窗口为800～1040℃、0.06～10 s^-1,对应的塑性变形机制主要为局部流动;较佳的变形工艺窗口为1095～1150℃、0.001～0.04 s^-1;最佳变形工艺参数在1125℃、0.001 s^-1附近,对应的塑性变形机制主要为动态再结晶。     

TiBw/TA15复合材料板材超塑变形行为研究

研究了TiB_w/TA15复合材料板材在900～960℃、5×10^–4～10^–2s^–1条件下的超塑变形行为。结果表明,TiB_w/TA15复合材料流变应力随拉伸温度的升高和应变速率的减小而降低,在940℃、5×10^–3s^–1变形条件下获得的最大超塑性伸长率为439%。利用Zener–Hollomn参数和Arrhenius方程所建立的峰值应力本构方程为ε~·=3.55×10⁸[sinh(2.0×10^–2σ)]^1.99×exp(–6.381×10⁵/RT),其变形激活能Q=638.1kJ/mol。复合材料超塑性变形组织与拉伸温度和应变速率密切相关。高温低应变速率有利于基体α相的动态再结晶以及晶须与基体处孔洞的愈合,低温高应变速率下,孔洞更易萌生于增强相与基体结合界面的端部。动态再结晶对复合材料超塑性的发挥起着关键作用。     

TA15四层板结构超塑成形/扩散连接技术研究

进行了TA15合金超塑拉伸试验,在温度920℃和应变速率5.25×104s-1时,TA15合金的最大延伸率约为1100％,其应变速率敏感性指数约为0.57.在较佳超塑变形条件930℃和应变速率5.25×10-4s-1附近,TA15合金的超塑本构方程为σ=949(ε) 0.55.对TA15四层板结构超塑成形过程进行了有限元分析,获得了压力p-时间t曲线.在T =930℃和应变速率5.25×10-4s-1下,成功进行了TA15四层板结构SPF/DB成形试验,试验件的整体质量良好,无沟槽等缺陷,金相组织观测表明,TA15四层SPF/DB试验件扩散连接质量优良.     

低温超塑性钛合金的超塑性研究

对一种超塑性温度相对较低的双相钛合金SPZ的超塑性能进行了研究.结果表明:740～800℃,应变速率恒为1.11×10-3s-1时,SPZ合金的最大拉伸延伸率均超过1600%;760°C,合金的超塑延伸率可高达2149%.760℃,应变速率高达1.11×10-2s-1时,合金的超塑延伸率仍可达1380%.也就是说,700℃/1hAC处理后,SPZ合金在试验温度范围内具有低温高速超塑性.SEM观察发现,超塑变形前,合金的晶粒细小均匀,平均晶粒尺寸只有0.89μm;应变速率为2.22×10-3s-1,740℃,760℃变形后SPZ合金的晶粒尺寸分别为1.51μm,2.33μm.超塑性变形的微观机制是以晶界滑动为主,晶内变形以及位错蠕变起了协调作用.     

新型多相TiAl–（Cr,Nb,Mo）合金高温变形行为和组织性能研究

针对新型多相Ti–43.5Al–6 (Cr, Nb, Mo)–0.1B合金,采用热压缩试验方法和包套热挤压的方式对合金的高温变形行为和拉伸性能进行了研究。结果表明,在温度1100～1250℃、应变速率1～0.001s^-1下,压缩50%后,试样完整无裂纹,合金表现出优异的热变形能力。建立了真应变0.6时的耗散系数图,低耗散系数区(η<0.3)主要分布在1100～1180℃、应变速率0.1～1s^-1工艺区间;高耗散系数区(η> 0.55)主要分布在1160～1250℃、应变速率0.01～0.001s^-1工艺区间,高耗散系数区组织的再结晶体积分数较高,此区间为TCNM合金最优的热加工窗口。Tγ→0–80℃挤压+热处理后,获得了双态组织,其室温抗拉强度855MPa,伸长率为1.0%;Tγ→0–10℃挤压+900℃/6h/FC稳定化处理后,获得了层片取向沿挤压方向择优分布的近层片组织,合金的室温抗拉强度为1020MPa,伸长率为2.0%,800℃时抗拉强度为685MPa,表现出优异的强度和塑性匹配。     

电沉积ZrO2/Ni纳米复合材料低温高应变速率超塑性的研究

采用电沉积方法制备了平均晶粒尺寸为45nm的ZrO2/Ni复合材料,并通过拉伸和胀形试验对该材料的超塑性能进行了研究。拉伸试验结果表明:材料在温度为420~500℃,应变速率为8.33×10-4s-1~1.67×10-2s-1时均获得了高于200%的延伸率。在温度为450℃和应变速率为1.67×10-3s-1时,得到最大延伸率605%。用扫描电镜SEM对拉伸前后试件的显微组织进行了观察,发现晶粒在温度的作用下明显长大。采用内径5 mm的凹模对ZrO2/Ni复合材料进行超塑胀形试验,在温度为420~500℃获得高径比H/d高于0.5的胀形件,说明该材料具有良好的超塑性能。     

热轧AZ31镁合金温变形中的微观组织演变

在50~250℃的温度范围和1.4×10^-3~1.4×10^-1s^-1的应变速率范围内通过单向拉伸试验检验了热轧AZ31镁合金的温变形性能。通过光学显微镜和透射电镜观察了温变形中的微观组织演变。结果表明:在温变形的初始阶段,孪生为主要的变形机理和硬化机制。由孪生变形积聚的畸变能和非基滑移的启动导致了动态再结晶的形核与长大。应变速率的提高对动态再结晶的抑制是造成AZ31镁合金温变形中应变速率敏感性的原因。     

钛合金空心点阵超塑成形/扩散连接成形工艺和性能研究

钛合金空心点阵是典型的承载–功能一体化结构,采用单轴拉伸方法,在不同温度、应变速率条件下测定TA15、TA32钛合金的超塑拉伸延伸率,最大延伸率分别达到1450%和950%,后在不同温度、压力条件下进行扩散连接试验。根据超塑拉伸和扩散连接试验,确定了超塑成形和扩散连接（Superplastic forming/diffusion bonding,SPF/DB）的最佳工艺参数为：920℃/1.5～2.0 MPa/2 h,制备了不同构型和几何参数的TA15、TA32钛合金空心点阵结构件。采用平压方法和三点弯曲方法测定了钛合金空心点阵的力学性能,压缩和弯曲强度最大值分别达到23.83 MPa、596MPa,通过有限元和试验分析的方法,研究了几何参数对钛合金空心点阵平压和弯曲性能的影响规律。采用单面加热方法,研究了钛合金空心点阵结构的隔热性能,在400℃/1 h条件下,隔热温差达到276.3～310℃。     

高应变率条件下38CrMoAl钢的动态力学行为及失效模型

38CrMoAl钢是飞机某频繁经受冲击载荷结构的主要材料，为了获得该钢在冲击载荷下的力学行为和失效参数，本文对38CrMoAl钢开展了准静态试验、应变率从650 s^-1至5 500 s^-1的动态力学试验以及应力三轴度试验，对材料的金相组织和断口形貌进行了微观观察分析，最后基于试验结果确定了材料的修正强度模型和失效模型参数。试验结果表明，38CrMoAl钢具有较强的应变率敏感性，材料屈服强度随着应变率的增加具有正应变率强化效应，应变率在10^-3~5 500 s^-1的范围变化时，屈服应力从450 MPa上升到了1 085 MPa，应变率为5 500 s^-1时材料的屈服应力达到了准静态条件下的2.41倍。对材料组织的微观观察分析发现材料主要由呈现颗粒状的回火索氏体组成，材料在高应变速率加载下其塑性发生了下降，断口由韧窝型塑性断口向局部解理断面发生转变，韧窝尺寸也随着应变率的升高而变小。对Johnson-Cook（J-C）强度模型中的应变率强化项进行了修正，使修正后的本构模型可以更有效地描述38CrMoAl钢的动态力学行为，最后结合数值模拟方法确定了材料的J-C失效准则参数。     

GH4169合金超塑性及其复杂构件超塑成形

对GH4169高温合金板材超塑性及超塑成形进行了研究.研究结果表明:在典型的超塑成形应变速率范围(10-3～10-4)内,细晶GH4169合金在较宽的温度范围(920℃～980℃)内的延伸率都高于250%,最高延伸率可达513%,应变速率敏感性指数m值都大于0.3;合金在超塑过程中发生了晶粒动态长大,并且超塑变形后仍为等轴晶;利用超塑成形方法研制出了飞行器用GH4169合金燃气岐管,并通过了30MPa液压压力、保压10min的打压试验及20MPa、保压5min的气密试验.     

等温锻造FGH96合金超塑性研究

对等温锻造FGH96合金的超塑性进行了研究.研究表明,FGH96合金在变形温度为1050℃和1100℃,初始应变速率ε0为1×10-2s-1～1×10-3s-1的拉伸变形条件下,均呈现出较好的超塑延性.在变形温度为1050℃,初始应变速率为1.67×10-3s-1时,合金超塑延伸率均可以达到825%.微观组织分析表明,FGH96合金超塑拉伸的断裂主要原因是空洞的长大和连接.     

GH4169高温合金多层板结构的激光连接/超塑成形组合技术

采用激光连接/超塑成形组合技术制造了GH4169合金三层板结构件,并分析了该合金板的超塑性及成形前后的微观组织.结果表明:超细晶GH4169板材具有良好的超塑性,在T=940℃,初始应变速率为=6.1×10-4s-1的条件下,延伸率达到368.2%,m值为0.39,超塑成形过程改善了焊缝显微组织并且提高了其力学性能,因此该方法适用于GH4169高温合金多层结构的制造.焊接工艺参数:频率32Hz,峰值功率4500W,脉宽3ms,焊速180mm/min;超塑成形工艺参数:温度Tf=960℃,压力Pf=4.2MPa,时间tf=130min.     

基于应变速率循环法的TA15钛合金超塑性本构方程

采用应变速率循环法对TA15钛合金进行三组高温超塑性拉伸试验,变形温度区间为850~950℃,应变速率循环区间为5×10-6~5×10-4s-1。分析拉伸试验数据后,计算出TA15钛合金动态再结晶激活能Q,结合金相组织分析得出其热变形过程中发生了动态再结晶的结论;并利用Arrhenius模型构建超塑性本构方程,应用origin数据处理软件进行数据分析,求得TA15钛合金高温条件下的超塑性本构方程。运用1stopt软件修正了该本构方程,使其精度达到99.3%。结果表明,TA15钛合金的流动应力对变形温度较为敏感,随着温度的升高,流变应力逐渐减小,软化机制愈发明显,且在900℃附近的超塑性较好,伸长率达到了846%。     

热轧AZ31镁合金超塑变形中的微观组织演变及断裂行为

通过热轧工艺制备了具有细晶微观组织的AZ31镁合金薄板。在250-450℃的温度范围和0.7×10-3-1.4×10-1s-1的初始应变速率范围内研究了热轧AZ31镁合金板的超塑性流变行为。分别通过光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察了AZ31镁合金超塑性变形中的微观组织演变和断裂行为,并计算了不同温度下的变形激活能。结果表明,从300℃开始,热轧AZ31镁合金开始表现出超塑性的流变特征。在400℃,0.7×10-3s-1的变形条件下,最大延伸率可达362.5％,显示了良好的超塑性能。在300-400℃的超塑变形温度范围内,AZ31镁合金超塑变形的主要机制是由晶界扩散控制的晶界滑移,而变形温度和应变速率对AZ31镁合金断裂行为的影响主要体现在变形机制从晶内滑移到晶界滑移的转变。     

热变形对高铌TiAl合金微观组织的影响

通过对Ti-45Al-8.0Nb-0.2W-0.2B-0.1Y(原子百分数)合金的热压缩分析发现,其变形温度和变形速率对合金的真实应力-应变曲线以及变形后的组织有显著的影响。在低的变形温度和高的变形速率下,随应变量的增加合金呈现明显的软化现象,变形后存在大量的流线型组织,当变形温度达到1250℃、变形速率降到1×10^-3s^-1时,合金变形后的组织逐渐得到充分的再结晶,铸态组织得到明显的细化。     

Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo合金板材超塑成形组织及性能研究

分别采用最大m值法和恒应变速率法对Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo合金(SP700钛合金)板材进行超塑拉伸,研究了755~785℃、0.1~0.005s-1及不同方向的单向条件下其超塑拉伸变形行为和典型件的超塑成形行为及力学性能。结果表明:SP700钛合金具有优异的低温超塑性,采用最大m值法在45°方向、775℃变形后,获得3110%的最高延伸率,变形诱发晶粒长大使SP700钛合金抵抗颈缩的能力增加。受双向拉应力作用的锥形件,在755℃具有最优的超塑成形工艺性,锥形件高度可达到100mm,并且晶粒尺寸无明显变化。经33%超塑变形量的试样室温力学性能略高于无变形试样,其室温抗拉强度和延伸率平均值分别达到1027MPa和16.8%。     

基于热力学的HTPB/AP复合底排药损伤本构模型及损伤差异分析

为研究HTPB/AP复合底排药（CBBG）单轴拉伸力学性能,进行了准静态（233~301 K,8.3×10^-5~8.3×10^-1 s^-1）和冲击（233~323 K,1 200~8 000 s^-1）加载实验。实验结果表明,各工况下的真应力应变曲线均有明显的屈服点,初始模量、屈服应力及后屈服阶段形态均呈现显著的温度和应变率相关性。在不可逆热力学框架内,推导了热力学力表达式和内变量演化法则,结合初始模量和屈服应力模型,建立了黏弹-黏塑-损伤本构模型。根据HTPB/AP CBBG宽泛温度和应变率实验数据,利用一维形式的本构模型进行了参数辨识和模型验证。结果表明,该模型能较准确描述黏弹性阶段和后屈服阶段。不同工况下的损伤演化律表明,冲击加载和低温均有利于损伤扩展。     

钛合金宽弦空心风扇叶片高温弯扭成形及性能调控研究

利用UTM 5504X电子万能试验机对TC4钛合金在变形温度650～850℃和应变速率10^–3～1 s^–1条件下进行高温拉伸试验,研究了TC4钛合金热变形行为,建立了修正的Misiolek硬化方程,可以准确预测该材料在不同变形条件下的流动应力。同时构建TC4钛合金空心叶片的高温弯扭成形有限元模型,结合有限元仿真研究结果确定空心风扇叶片弯扭成形的最佳工艺参数为扭转成形温度750℃、扭转成形截面550 mm和扭转角速度1.938°/min。结合微观组织试验观察发现,高温变形条件下α相含量减少,β相含量持续升高,材料具备较高的延伸率和塑性成形性能。最终通过弯扭成形制备的空心叶片的叶身整体过渡圆滑、无表面缺陷,成形质量良好,研究结果可为TC4钛合金宽弦空心风扇叶片批量化制造生产提供指导性意见。     

应用加工硬化率研究TA15钛合金β区变形的动态再结晶临界条件

基于位错理论探讨了材料大应变条件下的加工硬化率曲线及动态再结晶的拐点判据,利用在变形温度1050～1100℃、应变速率0.001～1s-1条件下等温恒应变速率压缩试验获得的应力-应变数据,采用加工硬化率处理方法,研究了TA15钛合金β区变形的动态再结晶临界条件,并应用Zener-Hollomon参数建立了临界应变模型。结果表明,TA15钛合金在本试验条件下呈现两种曲线特征类型的应力-应变曲线,其θ-σ曲线均呈现拐点及-θ/σ-σ曲线上出现最小值;临界应变与峰值应变之间具有一定的相关性,即εc/εp=0.62;临界应变与Z参数之间的函数关系为εc=1.72×10-2Z0.0605。