Effect of α Composite Layer on the Microstructure and Mechanical Properties of Ti-10V-2Fe-3Al Alloy

通过在830℃空气中保温1 h后水冷的热处理工艺,在Ti-10V-2Fe-3Al(Ti1023)钛合金表面形成厚度约为82μm的α富氧复合层。研究了α复合层内显微组织形貌、硬度及元素分布特点及复合α层后对Ti1023合金组织和性能影响。结果表明:α复合层从边缘到基体内部硬度值并非一直减小,而是呈现高-低-高-低-趋于稳定的变化规律。研究表明硬度变化规律与合金元素(尤其V、Fe)及组织形态分布相关。Ti1023合金试样复合α层后表面硬度增加了45%,而屈服强度和抗拉强度下降5%。在拉伸变形过程中,复合α层后试样首先会在垂直于拉伸应力方向的外表面产生裂纹,之后裂纹扩展穿过α层到基体内部直至试样断裂,试样拉伸断口呈现心部韧性断裂和边部脆性断裂特征。拉伸过程中试样内部存在应力诱发β相向α″相的组织转变。     

热处理对TC6钛合金内表层组织及硬度的影响

对TC6钛合金进行990℃保温热处理,研究保温过程中氧原子、合金元素分布变化对内表层组织及硬度的影响。结果表明,在990℃热处理后试样内表层富氧α层从边部到基体内部显微硬度呈现低-高-低的变化规律,在距边部约55μm处达到最大值449 HV1。内表层显微硬度的变化是由于氧化作用而导致内表层合金元素分布变化和氧原子的富集引起的。     

热暴露对Ti60合金性能及断裂行为的影响

采用光学显微镜和扫描电镜观察分析了Ti60合金热暴露前后拉伸试样的显微组织、断裂方式及其断口形貌.结果表明:Ti60合金塑性对试样表面富氧层较为敏感,带有富氧层的试样塑性较低;热暴露前后试样断裂方式发生变化,未经热暴露的试样,断裂起源于试样中心部位,断面凹凸不平,为典型的韧窝型断裂;毛坯热暴露断口上呈现出大量的解理小平面,也可以观察到韧窝形貌,为混合型断口;试样热暴露后,裂纹起源于试样表面,在微观断口上除了断裂小平面外,还有大量的撕裂棱,表现为断裂沿着α片层界面扩展的特征;在高温长时间暴露过程中,氧除了污染试样表面,还会溶解在基体中形成脆性富氧层,这是影响Ti60合金热稳定性能的重要原因.     

32Cr3MoVE轴承钢渗氮层组织与旋转弯曲疲劳性能

采用旋转弯曲加载方式测试了32Cr3MoVE渗氮轴承钢的疲劳性能,通过扫描电镜、X射线衍射、显微硬度计及X射线应力仪分析了渗氮层的组织特征和残余应力分布以及疲劳断裂的原因。结果表明:渗氮层析出的γ′-Fe_4N、CrN、Fe_3N等氮化物提高了试验钢的表面硬度,并形成了先增大后减小的残余压应力分布,在距表面300μm处残余压应力高达610 MPa,显著减小了试样次表面承受的循环拉应力,使得疲劳裂纹萌生起源于近表面以及距试样表面600～700μm较远的区域;渗氮处理显著提高了试验钢的疲劳性能,中值疲劳强度达到974 MPa。疲劳裂纹萌生于表面化合物层和内部非金属夹杂物,各占41.2%和58.8%;裂纹沿着化合物层、扩散层及基体依次扩展,最后在试样基体瞬断。扩散层部分呈现沿晶断裂和准解理断裂混合断裂形式,渗氮层和基体交界处呈现一段光滑过渡区。     

Y元素对铸造Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响

本文研究了Y元素合金化对铸造Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响。铸态合金微观组织与力学性能分别利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和拉伸试验进行表征。结果显示,Ti-6Al-4V合金呈现典型的魏氏组织特征。添加Y元素后,合金中形成Y2O3颗粒并分布在初生β晶粒的晶界处,同时在晶界两侧形成平行的α/β层片结构,而晶粒内部形成相互交叉的α/β层片结构,即Y2O3明显改变了Ti基体片层组织形貌。相比于Ti-6Al-4V合金,添加Y元素之后,合金的屈服强度和抗拉强度稍有提高,但是平行的α/β层片结构和Y2O3颗粒引起合金由解理断裂向延晶断裂转变,进而导致延伸率显著减小。所以,Ti基体微观组织变化对合金力学性能同样具有重要作用。     

铸造钛合金α层对补焊裂纹的影响

通过熔模铸造的方法制备了ZTA7合金试样,对试样进行α层检测和补焊。利用光学显微镜(OM)、能谱仪(EDS)、显微硬度测试仪等检测了ZTA7铸件基体和α层的组织、成分和显微硬度,分析了铸件补焊裂纹的开裂位置和形式,研究了α层对开裂的影响规律。研究结果表明:铸件补焊周围的裂纹无规则分布在焊接热影响区及邻近热影响区的母材表层。铸件内部基体为具有原始β相晶界的片状α组织,表层为粗大的片状α组织。脆硬的α层和焊接热循环过程中产生的焊接应力共同导致铸件表层开裂,且开裂率随着α层厚度的减小而降低。表面α层厚度低于55μm时才能显著降低铸件补焊后的开裂机率。要完全避免补焊开裂,应以硬度值为依据,全部去除铸件表面α层。     

时效温度对Ti1023和Ti5553合金a相析出行为与力学性能的影响规律

本文研究了Ti1023和Ti5553钛合金经过固溶与低温时效处理(ST-SQA)获得的微观组织和析出硬化行为。采用扫描电镜和透射电镜观察了不同温度时效处理后α相的析出形貌以及分布特点,统计了时效析出次生α相的析出密度和宽度随时效温度的变化情况,并测试了合金的维氏硬度。结果表明： Ti1023合金时效处理时次生α的析出温度低于Ti 5553合金。Ti1023合金在300℃时效时α相已经析出,400℃时α相析出密度到达峰值;Ti5553合金在450-500℃时效α相开始析出,在550℃时效α相的析出密度达到峰值。Ti1023合金硬度随着时效温度的增加先升后降,400℃时效硬度最高;在相同的时效温度范围,Ti5553合金硬度变化出现双峰规律,硬度峰值分别对应于350℃和550℃时效温度。两种合金的硬度变化规律源于合金时效中第二相的析出行为：时效温度低于400℃,Ti1023合金的硬度取决于α相和?相,而Ti5553合金的硬度取决于?相;温度高于400℃,两种合金的硬度主要取决于次生α相的数量与尺寸。     

Ti-600合金的热稳定性

研究了Ti-600合金镦制饼材600 ℃热暴露前后室温拉伸性能的变化,并观察合金的拉伸断口、分析其断裂机制。结果表明,600 ℃热暴露100 h后,毛坯热暴露试样的强度较热暴露前固溶时效试样(STA)的提高了3%左右,延伸率降低20%左右;热暴露试样的强度稍有降低,延伸率则降低了45%左右。STA试样室温拉伸断裂起源于试样中心位置,断口形貌呈现韧窝型断裂特征;毛坯热暴露试样断口上可见解理小平面与韧窝并存的特征,为混合型断口;试样热暴露以后,裂纹萌生于试样表面,断口上观察到解理小平面,合金的断裂沿片层α相界面扩展。热暴露试样表层有脆性富氧层存在,富氧层内易诱发细微裂纹并向基体扩展。表面渗氧是Ti-600合金热暴露后塑性下降的重要原因之一     

Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜对1Cr17Ni2不锈钢疲劳性能的影响

采用真空阴极电弧沉积技术在1Cr17Ni2马氏体型不锈钢表面沉积Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜。研究对比了在室温下膜层试样与基体试样的旋转弯曲疲劳强度、疲劳寿命和疲劳断裂机理。结果表明:在不锈钢基体上沉积厚度为11.7μm,硬度为3 220HV0.025,膜/基结合力为56N的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜后,其疲劳性能显著提高,膜层试样较基体试样的疲劳极限提高了约11.2%,当应力水平在540～650 MPa变化时,疲劳寿命增量变化范围为108%～246%;裂纹均起源于表面,在低应力水平下只有一个裂纹源,而高应力水平下有多个裂纹源;疲劳性能的提高主要是由于膜层能够弥补基体表面一定的缺陷,同时软硬交替的膜层结构有较强的抗裂纹扩展能力。     

时效温度对Ti1023和Ti5553合金微观组织与析出硬化的影响规律

研究了Ti1023和Ti5553钛合金经过固溶与低温时效处理(ST-SQA)获得的微观组织和析出硬化行为。采用扫描电镜和透射电镜观察了不同温度时效处理后α相的析出形貌以及分布特点,统计了时效析出次生α相的析出密度和宽度随时效温度的变化情况,并测试了合金的维氏硬度。结果表明:Ti1023合金时效处理时次生α的析出温度低于Ti 5553合金。Ti1023合金在300℃时效时α相已经析出,400℃时效时α相析出密度到达峰值;Ti5553合金在450～500℃时效α相开始析出,在550℃时效α相的析出密度达到峰值。Ti1023合金硬度随着时效温度的增加先升后降,400℃时效硬度最高;在相同的时效温度范围,Ti5553合金硬度变化出现双峰规律,硬度峰值分别对应于350和550℃时效温度。2种合金的硬度变化规律源于合金时效中第二相的析出行为:时效温度低于400℃,Ti1023合金的硬度取决于α相和ω相,而Ti5553合金的硬度取决于ω相;时效温度高于400℃,2种合金的硬度均主要取决于次生α相的数量与尺寸。     

TA2表面电火花沉积Zr/WC复合涂层特性及界面行为研究

目的通过在TA2表面进行电火花沉积改变其表面性能。方法采用电火花沉积技术,在基体TA2表面制备Zr/WC复合涂层,然后分别用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDX)、X射线应力分析仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机分析涂层的微观组织、化学成分分布、残余应力、显微硬度分布以及涂层的耐磨性。结果复合涂层连续、均匀,厚度约为50~80μm;涂层表面不平整,存在很多小坑和粘连,涂层内部有少量气孔和裂纹;复合涂层与基体的主要元素Ti、Zr、W之间发生相互扩散,并发生冶金反应;经过电火花沉积后TA2表面存在较大的残余应力,通过改变工艺参数可有效控制残余应力;复合涂层表面显微硬度值最高能达到960.5HV200g,约为基体的4倍;经过电火花沉积Zr/WC复合涂层的试样磨损量远远小于TA2试样,ε_w=4.1,沉积层的耐磨性比基体材料提高了3.1倍,经电火花沉积制备复合涂层后表面的耐磨性显著提高。结论在TA2表面电火花沉积Zr/WC复合涂层可以改善其表面性能。     

铜中间层钛-钢扩散复合界面组织与性能

利用真空扩散焊方法制备了铜中间层钛-钢焊接接头,并采用OM、SEM、EDS、显微硬度和拉伸试验方法,研究了铜中间层钛-钢扩散复合界面组织和性能。结果表明,Fe、Ti原子在界面处发生了互扩散,钛侧形成α-βTi+αTi或βTi+α-βTi+αTi组织,钢侧发生脱碳并形成柱状晶组织;拉伸强度随扩散温度升高呈现先增加后减小的趋势,950℃、30 min扩散试样拉伸强度最高,达到262 MPa;拉伸断口具有塑性断裂区与脆性断裂区特征,并在断口上检测出TiC相。     

纯钛表面辉光放电W-Mo共渗层的显微结构及力学性能

利用空心阴极等离子放电表面合金化技术,在低于纯钛相变温度(882℃)下,在纯Ti表面进行W-Mo二元共渗。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)分析了合金渗层的显微结构及物相组成,利用HMV-1T型显微硬度计测试了试样的表面和截面硬度,并用静拉伸试验分析了W-Mo共渗前后试样的力学性能。结果表明,纯Ti在经过辉光放电W-Mo共渗处理后,在其表面形成了厚度为15μm的WMo合金层,合金渗层致密,无显微裂纹,并与基体结合良好。处理后的试样中最大的抗拉强度为546 MPa,比原始试样提升了49%,表面最大的显微硬度为1 196HV0.1,较原始试样增加了6.85倍。纯Ti经过WMo二元共渗后,其表面硬度增加,抗拉强度增加,表面的力学性能得到改善。     

增材制造GH3536合金的高温拉伸及疲劳裂纹扩展性能研究

采用选区激光熔化技术制备GH3536合金试样,经热等静压和固溶处理后对合金试样的显微组织、高温拉伸性能和不同应力比下的裂纹扩展性能进行了分析。结果表明,经热等静压和固溶处理后合金试样内部存在2种不同大小的等轴晶粒,在晶间存在连续片状分布的M₂₃C₆和M₆C碳化物。合金试样的拉伸性能随着温度的升高而不断下降,断裂方式由室温下的韧性断裂转变为900℃下的脆性断裂。在不同应力比下,合金试样的裂纹扩展方式主要为穿晶扩展,裂纹扩展速率随着应力比的不断上升而提高,在高应力比下合金内部的疲劳裂纹更倾向于在取向差较小的晶粒内部扩展。     

硼含量对Ti-1023合金高周疲劳性能的影响

研究了硼元素含量对Ti-1023合金高周疲劳性能的影响。无硼的Ti-1023合金高周疲劳S-N曲线位置最低,添加0.05%的硼元素后,合金的疲劳极限仅增加了2 MPa,但高周疲劳S-N曲线高应力段明显上移。当硼元素含量为0.1%时,Ti-1023合金的疲劳极限提高10%以上,S-N曲线的位置最高,其疲劳性能得到全面提高。进一步添加硼元素后,S-N曲线位置基本不变。无硼的Ti-1023合金疲劳条带较为清晰,添加硼元素后,Ti-1023合金疲劳试样裂纹源全部位于表面,裂纹前沿区域脆断痕迹明显,解理断面趋于平整,疲劳条带越来越模糊。这是由于添加硼元素后,Ti-1023合金内部的临界裂纹尺寸会减小,使其抵抗疲劳裂纹失稳扩展的能力降低,综合考虑,Ti-1023合金中硼元素的添加量不宜超过0.1%。     

两种显微组织的Ti600合金低周疲劳行为

利用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜研究了Ti600合金在不同组织类型下的疲劳行为。结果表明,Ti600合金在总应变幅±0.6%～±1.0%范围内,无论是片层(LM)组织还是双态(BM)组织的试样均呈现循环软化现象。在相同的总应变幅条件下,BM组织的试样具有长的疲劳寿命。LM组织试样断口附近侧表面的裂纹易于发生连接,致使循环应力响应的有效面积快速减小,因此LM组织试样在较低的循环应力下发生疲劳断裂。     

显微组织对钛合金强韧性的影响

通过控制热处理工艺条件,使钛合金的组织成为片层组织(lamellar microstructure,LM)和双态组织(bimodal microstructure,BM)两大类,研究了组织类型对其拉伸变形行为和低周疲劳(low cycle fatigue,LCF)行为的影响规律。研究结果表明,BM组织TC21合金的变形,以位错优先在αp相和条状次生α相中的增殖和运动为主导;粗大的LM组织中的退火孪晶改变了部分晶体的取向,增大了断裂前的塑性变形量,使TC21合金发生延性断裂。BM组织Ti600合金中的αp相阻碍LCF裂纹的扩展,消耗较多的LCF裂纹扩展能量,提高了Ti600合金的LCF寿命;热暴露(thermal exposure,TE)过程中,α2相由BM组织中的αp相析出,强化了αp相,导致BM+TE试样的LCF裂纹主要以"绕过"αp相的方式扩展,而BM试样的LCF裂纹则以"切过"αp相的方式扩展,裂纹"绕过"αp相的扩展能量高于"切过"的能量,因此,α2相在αp相内部的析出提高了Ti600合金的LCF寿命。     

Ti555211合金片层组织裂纹扩展的SEM原位观察

利用SEM原位拉伸实验,研究了Ti555211合金片层组织的拉伸变形和断裂行为。结果表明：在拉伸载荷作用下,片层组织试样中滑移带优先出现在与加载方向大于45°的片层组织上。在裂纹扩展过程中,合金内滑移带的密度均随着载荷的增加逐渐增加,片层组织试样为沿片层和跨片层交叉断裂。原位拉伸试样断口分析表明,韧性断裂是片层组织试样的主要断裂方式。试样断口存在明显剪切唇和大量断裂韧窝。SEM原位拉伸实验分析方法能够对新型Ti555211近β钛合金的变形和断裂行为进行实时跟踪,该方法的研究结果更加具有科学价值和参考意义。     

Ti230合金电阻点焊接头组织与显微硬度研究

对0.7 mm厚的Ti230合金板电阻点焊接头的组织及显微硬度进行了研究。结果表明:Ti230板材焊接过程中易发生结合线伸入,并且结合线伸入附近同时存在裂纹,结合线伸入产生的原因是焊接参数选择不合理。通过改变试验参数,即增加压力,减小热量输出可以明显改善结合线伸入现象;Ti230合金的组织为等轴状α基体+金属间化合物Ti2Cu粒子,焊缝处组织为铸态组织,Cu元素完全固溶到基体;焊缝处的显微硬度明显高于基体的显微硬度,可能是由于焊接后未进行热处理,存在较大焊接应力,且Cu元素在基体中较高的固溶度。     

热处理对铸造ZCuSn10Zn2Fe1.5合金组织和力学性能的影响

采用真空熔炼-离心铸造工艺制备新型ZCuSn10Zn2Fe1.5合金.通过扫描电镜研究了热处理前后合金的组织变化和元素分布,得到了热处理使Sn偏析减轻的证据.采用原位拉伸试验对热处理前后试样的断裂过程进行了研究和分析,结果表明:铸态ZCuSn 10Zn2Fe 1.5合金裂纹优先萌生于脆硬的8相,微裂纹易沿着δ相与基体晶粒界面扩展；热处理后ZCuSn10Zn2Fe1.5合金内部的δ相基本消失,微裂纹在基体晶粒内部萌生和扩展；合金试样经过750℃固溶2h和500℃时效4h后,抗拉强度和伸长率分别达到420 MPa和45％,比热处理前分别提高10.5％和20％.