电子束冷床熔炼TC4合金研究进展

电子束冷床熔炼工艺作为一种新型熔炼技术,可应用于生产航空发动机用优质钛合金及回收残钛。本文综述了电子束冷床熔炼TC4合金研究进展。     

电子束冷床熔炼TC4钛合金的热变形行为

使用Gleeble-3800热模拟实验机进行一系列热模拟压缩实验,研究了电子束冷床熔炼TC4钛合金在变形温度为850℃~1100℃、应变速率为0.01 s^-1~10 s^-1条件下的热变形行为。根据真应力-真应变曲线分析变形参数对流变应力的影响,分别建立电子束冷床熔炼TC4钛合金在(α+β)两相区和β单相区的Arrhenius本构模型,绘制了基于动态材料模型的热加工图。结果表明：流变应力随着温度的提高和应变速率的增大而降低;(α+β)两相区的热变形激活能Q=746.334 kJ/mol,β单相区的热变形激活能Q=177.841 kJ/mol;用相关系数法和相对平均误差分析了模型的误差,相关系数R²=0.995,相对平均误差AARE=5.04%。这些结果表明,所建立的模型较为准确,可准确预测其热变形流变应力;合金的最佳加工区域为：变形温度1000~1100℃、应变速率0.01~0.1 s^-1。     

EB炉熔炼TC4钛合金轧制过程中的组织演变与力学性能

本实验以电子束冷床熔炼炉(EB炉)熔炼TC4钛合金为研究对象,结合实际生产流程,研究不同变形量和不同温度对TC4钛合金板材显微组织与力学性能的演变规律.结果表明:在相同温度下,随着变形量增加,显微组织中α相的体积分数和尺寸减小而β相体积分数增大,合金的抗拉强度和延伸率均增大;当变形量为30％时,显微组织均表现为片层结构,随着变形温度升高,片层α相长宽比逐渐减小,抗拉强度逐渐升高而延伸率变化不大;当变形量增加到90％时,随着变形温度升高,显微组织由较强的B织构(0002)〈1120〉转化为T织构(1010)〈1120〉和锥面织构(1011)〈1120〉,塑性变形由基面滑移转为柱面滑移,显微组织中α相尺寸减小而β相含量增大,合金的抗拉强度和延伸率均增大.当温度升高到1000℃时,α相完全转变为β相,在随后的冷却过程中细针状次生α相从β晶粒析出,合金的抗拉强度和延伸率均增大.     

退火温度对TC4钛合金热轧板材的显微组织、织构和力学性能影响

对用电子束冷床炉(EB炉)熔炼的TC4钛合金热轧板材进行三火轧制变形,研究了退火温度对其显微组织、织构和力学性能的影响。结果表明：TC4钛合金的原始轧态组织为双态组织,由初生α相和β转变组织构成。退火后等轴α相的含量提高,次生α相的含量降低并趋于球化,组织的等轴化程度提高,在900℃退火后合金的显微组织转变为等轴组织。随着退火温度的提高α相晶粒的偏聚方向发生了变化,织构类型由初始的B型织构转变为B型织构与T型织构的混合织构类型,最终再转变为B型织构。在800℃退火后α晶粒的择优取向最弱,其织构类型为B型织构和T型织构组成的混合织构,较强织构的成分为：φ2=0°截面,■;φ2=30°截面,■。对材料进行室温和高温(400℃)拉伸实验,可得到TC4钛合金强度及塑性与退火温度间的关系：退火温度的提高使合金的抗拉强度提高、屈服强度降低、改善了塑性,合金屈强比的降低使其可靠性提高。     

TC4钛合金与Nb-W-Mo-Zr铌合金的真空电子束焊接工艺研究

采用真空电子束焊对TC4钛合金和Nb-W-Mo-Zr 铌合金进行了成功焊接,焊接的基本工艺参数为:炉室真空度≤3.0×10-2 Pa,枪室真空度≤1.5×10-3 Pa,焊接电压56～60 kv,束流20～25 mA,工件的移动速度为550～600 mm/min.用扫描电镜对焊接组织进行了观测,并作了X射线无损探伤.结果表明,热影响区和熔合区组织致密,焊缝熔透性好,无气孔.熔合区主要为胞状柬凝固结构,基本无枝晶出现.X射线探伤结果得出,焊缝质量满足国家一级标准.焊接组件在室温下的力学性能为:Rm=595 MPa,RP0.2=482 MPa,A=20%,Z=63%.     

径向锻造TC4合金厚壁管材的工艺研究

研究了用径向锻造方法制备TC4厚壁管材的生产工艺.研究结果表明,用径向锻造方法制备TC4厚壁管表面质量好,成品率高;显微组织为转变的β相基体上均匀地分布着细小的等轴γ相,比挤压方法制备的厚壁管组织要细;其室温力学性能σb为1 005 MPa,σ0.2为920 MPa,δ为14.5%,ψ为39%,强度指标均高于挤压得到的TC4厚壁管,塑性指标与挤压得到的TC4厚壁管相当.由于长芯棒制造难度较大,要求精度高,可尝试采用简易芯棒及无芯棒方法生产.     

工艺因素对TC4合金应力松弛行为的影响

研究了TC4合金应力松弛行为的特征和工艺因素的影响.结果表明,TC4合金应力松弛行为可以分为两个阶段:第一阶段,应力松弛非常快,第二阶段应力松弛缓慢,但长时间应力松弛后剩余应力趋向于一极限值;应力松弛行为可以用应力松弛极限和应力松弛速率两个参量进行表征;温度升高时,松弛速率加快,应力松弛极限降低;同一温度不同初应力作用的应力松弛,应力松弛极限相同.     

电子束冷炉床熔炼(EBCHM)技术的发展与应用

本文系统总结了电子束冷炉床熔炼(Electron Beam Cold Hearth Melting-EBCHM)技术近四十年的发展脉络。详细介绍了电子束冷床炉熔炼的各主要方面,包括电子枪的改进,冷床炉结构演变和功能扩展以及消除钛合金冶金缺陷的独特优势、电子束冷床炉熔炼科学技术应用现状及当前的主要研究方向等。指出近年来EBCHM技术在钛及钛合金工业生产中的应用持续稳定增长,除了钛的废料回收,消除钛的冶金缺陷提高合金质量,满足航空发动机转动部件要求,是主要的推动因素。可为广大钛冶金、材料应用工作者和设计人员提供有价值的参考。     

TC4钛合金电子束沉积修复工艺研究

目的 研究TC4钛合金电子束沉积修复工艺对修复试样成形形貌的影响。方法 主要对电子束流、送丝速度和成形速度3种工艺参数进行研究,观察其宏观形貌,从而归纳出工艺参数对电子束沉积修复钛合金TC4的影响规律。结果 在一定范围内,电子束流较小时,母材与修复区熔合不良,产生“V”型孔洞缺陷;随着电子束流增大,热影响区也随之增大。送丝速度主要影响试样的外观成形,较快或较慢的送丝速度都会使修复试样表面成形不良。成形速度较小时,成形表面有密集的鱼鳞纹,修复试样余高较低;成形速度增大时,热影响区随之减小,同时会产生孔洞缺陷。结论 不同的电子束流、送丝速度、成形速度都会对TC4钛合金电子束沉积修复形貌产生重要影响,需要合理的控制工艺参数。     

电子束冷床炉纯钛熔炼成分均匀性控制措施的研究

电子束冷床熔炼炉熔炼纯钛的起始阶段,冷床凝壳表面成分对铸锭成分均匀性有一定的影响,会造成冷轧或热轧产品力学性能的波动。本文通过研究熔炼正式开始前对凝壳液位高度及熔池深度的控制技术,来避免铸锭尾端的成分偏差。以上研究对各种牌号金属及合金的冷床熔炼均有较好借鉴意义。     

电子束冷床熔炼钛扁锭真空冷却时间对平直度的影响

电子束冷床熔炼炉熔炼钛扁锭结束后,由于出锭温度过高,造成扁锭长度方向弯曲变形,因此采取真空缓慢冷却来防止变形的发生,时间往往长达8小时,出锭最高温度在100℃左右。经过Pro CAST有限元软件分析及实际生产验证,确认真空冷却3小时出锭,最高温度约为200℃,从200℃到100℃真空状态下冷却速率为22.5℃/h,在大气状态下冷却速率为25.7℃/h,冷却速率相差不大,对铸锭平直度影响轻微。缩短真空冷却时间之后,大幅提高了生产效率。     

TC4钛合金表面电子束熔覆Ti40阻燃钛合金工艺研究

目的在TC4表面熔覆一层Ti40阻燃钛合金,并研究熔覆试样的组织与力学性能。方法采用电子束在TC4钛合金表面熔覆一层Ti40阻燃钛合金。采用光学显微镜(OM)分析熔覆试样的显微组织,用显微硬度计分析熔覆试样的显微硬度,用电子万能拉伸试验机分析熔覆试样的力学性能。结果在选定的最佳工艺参数下,熔覆层与基材熔合良好,熔覆层为均匀分布的等轴β晶粒,表面及熔合区组织晶粒细化。添加椭圆形扫描波形能使气孔缺陷明显减少,表层更加均匀,组织更细小。扫描波形对熔覆层显微硬度的整体分布形态影响不明显,Ti40熔覆层在上表面及熔合区附近的显微硬度比熔覆层中部略高。室温下力学性能测试结果表明,加扫描时成形试样的抗拉强度为857.3MPa,相对于基材降低了些许,断裂伸长率达到了42.69%,比TC4钛合金基材提升了约70%。结论采用电子束在TC4表面熔覆Ti40阻燃钛合金,能够获得良好的熔覆层组织以及力学性能。     

铸造TC4钛合金电子束焊残余应力测试

对铸造TC4钛合金进行电子束焊接,使用X射线衍射法对焊后母材、热影响区以及焊缝的表面残余应力分布状况进行测试和分析。结果表明：垂直于焊缝方向的测试点上,焊缝及热影响区在横、纵两个方向上主要存在拉应力;剪切应力数值均在±50MPa范围内,可以认为对焊缝性能没有影响。沿焊缝长度方向的测试点上,无论横向应力还是纵向应力,焊缝起始端的应力值要低于焊缝终止端的应力值。纵向残余应力表现为拉应力,横向残余应力由压应力逐渐向拉应力方向转变。     

钛合金电子束冷床熔炼时TiN的去除和Al的挥发损失控制

在生产洁净、无偏析的优质钛铸锭方面,EBCHM技术近20年来发展迅速.利用其单独设置的冷床和夹杂粒子与钛液的密度差,EBCHM炉的除杂能力,特别是消除LDI和HDI的能力得到了公认.研究证明,TiN粒子的溶解速率不仅与其密度和直径有关,而且也与熔池温度、滞留时间及熔体的流动性有关;要保证TiN粒子溶解,应尽可能提高熔池温度,增加熔体在冷床中的滞留时间.另一方面,随着熔池温度的升高和熔体滞留时间的延长,钛合金中Al等高蒸气压元素的挥发损失的增加,也成为必须研究和解决的问题.对此,不仅有工艺上的研究,也有数值模拟,并在这两方面得出了较为一致的结果.