不同表面加工状态对高强度γ-TiAl合金疲劳性能的影响

研究了近层片组织γ-TiAl合金Ti-44Al-4Nb-4Zr-0.2Si-1B(原子分数,%)在不同表面加工状态下的疲劳性能。研究发现:在该高强度TiAl合金的疲劳过程中,交变疲劳最大应力往往低于其条件屈服应力,最大受力面上不易出现局部区域塑性变形。在这样的情况下,最大受力面的表面质量变得极为关键。直接线切割的样品其条件疲劳强度呈现较大的不确定性。试样经表面磨削后喷丸处理引入约250μm的表面压应力层,疲劳强度提高1/3左右。磨削后经电解抛光处理的试样,表面光滑平整无缺陷,其条件疲劳强度相对于直接线切割试样提高了约70%。带有V型缺口(kt=3.0)的试样,相比于其他平面样品,其疲劳寿命显著降低,且无"缺口强化"现象出现,表现出较强的缺口敏感性。同时发现,在低于条件屈服应力下疲劳裂纹萌生均属于材料屈服前的早期裂纹萌生,合金中弱的组织和相成为其萌生的优先选择:这包括等轴γ晶粒聚集区域,偏聚在晶界位置的B2(ω)晶块以及处于软位向的α2/γ片层界面。     

铸造γ-TiAl合金表面状态的研究

针对成分为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr的铸造γ-TiAl合金,分别研究了该合金经车削、粗磨和精磨后的表面粗糙度、表面残余应力以及表面加工硬化。试验表明,经机加工后合金表面均产生残余压应力,随表面粗糙度数值的降低,表面轴向残余压应力增大,而径向残余压应力则变化不大。在用水砂纸磨削过程中,切削微刃占主导地位,可以把车削产生的硬化层去掉,故随表面粗糙度数值的降低,表面加工硬化程度逐渐降低。     

γ-TiAl合金铣削加工表面粗糙度研究

γ-TiAl合金因具有良好的高温物理和力学性能而广泛应用于航空航天、汽车等领域。通过γ-TiAl合金铣削加工正交试验,分析了切削参数对加工表面粗糙度的影响规律。研究表明:γ-TiAl合金铣削加工表面粗糙度的重要影响因素为背吃刀量和每齿进给量,其次是切削速度;切削速度、背吃刀量、每齿进给量之间的两两交互作用对表面粗糙度的影响不显著;表面粗糙度随着背吃刀量和每齿进给量的增加而增大,随着切削速度的增加先增大后减小。利用偏最小二乘回归法建立了基于切削参数的表面粗糙度的数学预测模型,通过模型的相关性分析以及F检验,验证了该模型具有较好的精度,能够满足表面粗糙度的一般性预测要求。在此次试验条件下获得最小表面粗糙度的切削参数为切削速度v_c=40 m/min、每齿进给量f_z=0.005 mm/z和背吃刀量a_p=0.05 mm。     

γ-TiAl合金表面辉光等离子渗Cr层的组织与性能

利用双层辉光等离子表面渗金属技术(DGPSAT)在γ-Tial合金表面进行等离子渗Cr处理,采用OM、SEM、EDS和XRD分析了渗Cr合金层的显微组织、化学成分及其相组成,并测试了其显微硬度分布和耐磨性.结果表明,γ-TiAl合金经双层辉光等离子渗Cr处理后,其表面形成以Al8Cr5、TiAl、Ti3Al、Cr等相组成的合金层,有效厚度约为35μm,渗层与基体结合牢固;渗Cr层组织成分及其横截面显微硬度由表及里均呈梯度分布;其摩擦磨损性能亦得到提高.     

不同应变比下γ-TiAl合金疲劳裂纹扩展机理的研究

运用分子动力学方法研究了γ-TiAl合金在不同应变比作用下的疲劳裂纹扩展机理。研究表明,疲劳裂纹均先以解理方式扩展,随后通过驱动力驱动无序区域扩展,最后转变为子–母裂纹传播机制扩展,其差别在于不同应变比作用下裂纹扩展方式的转变发生在不同的时刻;在塑性变形中,应变比的不同使得位错在不同时刻被发射出来且沿不同平面滑移,并且位错在滑移时有不同点缺陷形成如空位、双空位、三空位等,同时,应变比的不同也使得堆垛层错沿着不同密排面形成和扩展。     

全片层γ-TiAl合金显微组织对断裂行为的影响

通过SEM原位拉伸研究了全片层Ti-46．5Al-2．0Cr-1．5Nb-1.0V合金的显微组织与断裂行为的关系。通过热处理手段获得可区分晶粒尺度和片层厚度的全片层组织。研究表明，随着晶粒尺度的增大，裂纹扩展路径由平直变得曲折，断裂方式由沿片层界面和沿晶断裂变为穿片层断裂。随着片层厚度的减小，韧带的刚性增强，塑性变形减小，增韧效果得到改善。在全片层组织中，微裂纹在α2/γ片层界面形核。     

重复纳米切削对γ-TiAl合金表面质量及亚表面损伤的影响

本文运用分子动力学方法对单晶γ-TiAl合金重复纳米切削过程进行了模拟,研究了重复纳米切削过程中的切削力和微观组织缺陷演化,分析了已加工表面的粗糙度和残余应力,讨论了重复纳米切削和单次切削之间的差异。结果表明：重复纳米切削伴随着位错的形成和湮灭,第二次切削过程中的位错线长度波动小于第一次切削,切削状态更稳定;加工初始阶段的切削力迅速增大,随后切削力进入稳定加工阶段。同时发现,第二次切削的切削力小于第一次切削的切削力;二次切削后,残余应力分布更加均匀,且刀具的二次挤压作用使得加工表面层残余压应力增大;二次切削加工可以提高表面质量和降低亚表面损伤,而残余压应力的增大及加工所需能量的增加降低了已加工表面的可塑性,使得第三次切削加工对二者没有明显改善。     

γ-TiAl合金表面辉光等离子Ni-Cr共渗层的组织与性能

采用双层辉光等离子表面冶金技术在γ-TiAl合金表面进行Ni-Cr共渗处理,形成均匀致密的Ni-Cr合金层,通过SEM、EDS、XRD等对其渗层显微组织、化学成分和相结构进行分析,并测试了合金层的显微硬度及耐磨性。结果表明,合金层有效渗层厚度为25μm,主要由Cr2 Ti、AlTi、Cr、NiTi2、Cr1.75 Ni0.25 Ti等相组成;合金层中合金元素Cr和Ni由表及里呈梯度分布,合金层与基体结合牢固;合金层的显微硬度、动态硬度及摩擦磨损性能显著高于基体。     

一类易变形的含锰β凝固γ-TiAl合金热物性参数分析

材料的导热和膨胀性能是影响其应用的重要因素,本文以低成本、易变形的Ti-42Al-5Mn合金（原子分数,下同）为研究对象,研究了钨、硼微合金化对合金的热扩散速率、热导率、热膨胀性等热物性参数的影响。结果表明,随着W含量提高至1.0 at.%,合金的热扩散率稍有降低,反之B含量提高至0.3 at.%,合金的热扩散率略有增加。W添加降低合金导热性能与其增加组织中βo相含量有关。对于β凝固γ-TiAl合金,γ、α2、βo三相导热能力大小顺序应为γ＞α2＞βo。而B提高合金的导热性能与B在合金中形成的含B第二相粒子有关。W对合金线热膨胀性影响较小,在100~300℃范围内,随着W含量提高至1.0 at.%,合金的平均线膨胀系数稍有降低,相反在更高温度时的影响逐渐减小。TiAl合金的热膨胀系数数值与铸铁相当,低于钢铁、镍基高温合金等材料,在制造诸如活塞这类要求热膨胀系数很低的部件时具有一定的应用价值。     

热暴露及表面氧化对γ-TiAl合金疲劳性能的影响

研究了全片层组织的中等强度γ-TiAl合金Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8TiB2在热暴露+表面氧化10000 h以后,4种加工表面与高频疲劳行为的定量关系。结果表明:在该TiAl合金的疲劳过程中当经历长时间热暴露+氧化后,相对于热暴露之前,该合金的疲劳强度有增有降,依表面加工方式而定。表面质量差的线切割样品以及表面无压应力的电解抛光样品,出现"热暴露+氧化增强"的现象,这表明大气热暴露导致的应力弛豫现象带来的有利效果大于表层氧化产生的不利效果。热暴露+氧化对喷丸样品有明显不利效果,热暴露引起的应力弛豫导致喷丸样品表面压应力降低,层厚减薄,氧化引起表面疏松,引入了缺陷。     

多弧离子镀Cr涂层对γ-TiAl合金高温氧化性能的影响

采用多弧离子镀技术在γ-TiAl合金表面制备Cr涂层,用SEM/EDS和XRD等手段研究了该涂层对γ-TiAl合金在高温下氧化性能的影响。结果表明,涂层在高温下可形成保护性氧化膜,氧化膜主要分为内外两层,其中外层氧化膜在650℃下主要为Cr2O3,在750℃下为TiO2,在950℃为Al2O3,内层氧化膜均为Ti-Al-Cr的混合氧化膜,Ti-Al-Cr的互扩散层可有效阻止氧向基体扩散,显著提高了γ-TiAl的抗高温氧化能力。     

激光熔化沉积制造γ-TiAl合金的组织与性能

通过激光熔化沉积制造技术成功制备了X×Y×Z（40 mm×5 mm×60 mm）的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金沉积样品。利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和背散射衍射（EBSD）分析了沉积样品的显微组织、相组成、晶粒取向及断口形貌;利用维氏硬度计测量了沉积样品不同位置上的硬度分布;利用拉伸机测量了沉积样品在Z向的拉伸性能。 结果表明,在最佳工艺参数条件下获得了成形良好的沉积样品,经过渗透检测后发现表面无裂纹。沉积样品的显微组织由γ+α2组成的层片状晶团及少量块状γ-TiAl相组成。在沉积状态下,沿试样Z方向的室温拉伸强度为425MPa,延伸率为3.3%。拉伸试样的断口形貌为准解理断口。     

γ-TiAl合金自身及其与高温合金的钎焊技术研究进展与趋势

γ-Ti Al合金是航空航天领域极具应用前景的轻质高强、耐高温结构材料,实现γ-Ti Al合金自身及其与高温合金的高质量钎焊连接,对于促进其工程化应用具有重要意义。分别从钎料的润湿性以及钎料种类(Ti基、Ag基、Al基)、工艺参数对接头组织性能的影响等方面,综述了国内外的研究进展。存在的主要问题是缺少γ-Ti Al合金专用的高温钎料、界面反应的控制机制以及接头综合性能的评价标准等。今后针对γ-Ti Al合金的钎焊连接,应包括以下5个重点研究方向:高温钎料成分设计;接头组织和性能的推演、预测方法;连接界面冶金行为的深入研究;连接界面组织调控机制;接头综合性能的考核与评价标准。     

热暴露对表面预形变单晶合金组织和性能的影响

针对[001]取向的DD11单晶合金,在垂直于[001]方向进行2种强度的铸钢弹丸喷丸强化以引入表面预形变,采用电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜和硬度测试等方法研究了预形变后表层组织;后续不同温度热暴露完成后,采用扫描电镜和硬度计,研究了热暴露温度和预形变程度对表层组织和硬度梯度的共同影响;并且表征了喷丸+热暴露后单晶合金的高温疲劳性能。结果表明,单晶合金喷丸预形变后表面出现[110]和[111]取向的亚晶,同时出现表面应变硬化效果;随着形变程度的增大,亚晶取向角、旋转亚晶层深度和硬化效果也随之增大。随着热暴露温度升高,预形变表面形变组织呈现球化-零星不连续胞状组织-连续胞状组织-再结晶的动态回复过程,硬化效果也随之松弛;形变程度越大,开始出现动态回复过程的温度越低,但喷丸+1060℃/2 h热暴露并未观察到再结晶。相比磨削状态,喷丸+热暴露后,1060℃轴向疲劳寿命有所提高。1060℃/350 MPa/R=–1/轴向疲劳源呈现内部萌生为主源,表面为次源的状态。     

γ-TiAl合金在高温熔盐环境下的腐蚀机理

在800℃、75%Na2SO4和25%NaCl的熔融盐环境中,对名义成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb的γ-TiAl合金进行高温腐蚀实验。通过氧化动力学分析、扫描电镜观察及X射线衍射分析,研究全片层γ-TiAl合金的氧化腐蚀行为,以及高温腐蚀性环境对合金内部微观组织的选择性腐蚀机理。结果表明:在高温熔融盐腐蚀环境下,γ-TiAl合金主要形成由TiO2和Al2O3组成的氧化膜层,且高温熔融盐环境对合金内部微观组织存在明显的选择性腐蚀,即腐蚀路径沿α2与γ两相界面进入合金内部,并优先腐蚀α2相片层及γ相片层中的某些亚结构。合金片层组织中α2相与γ相间的抗氧化性能差异,以及熔融盐腐蚀性环境参与氧化中间反应并加速合金氧化过程是发生选择性腐蚀的主要原因。     

微量元素对Al-Cu-Li合金热暴露后显微组织和性能的影响

研究了微量Ce、Ag对一种Al-Cu-Li合金热暴露后显微组织和性能的影响。Ce的添加提高T1相的抗粗化能力,有利于稳定合金热暴露后的力学性能;Ag的缺少降低了T1相的稳定性,使合金在150℃热暴露后的强度损失较大,但却使合金在200℃热暴露后保持较高的强度,这与不含Ag的合金在200℃热暴露时大量θ′相析出有关。     

微量元素对AI-Cu-Li合金热暴露后显微组织和性能的影响

研究了微量Ce、Ag对一种Al-Cu-Li合金热暴露后显微组织和性能的影响。Ce的添加提高T1相的抗粗化能力，有利于稳定合金热暴露后的力学性能；Ag的缺少降低了乃相的稳定性，使合金在150℃热暴露后的强度损失较大，但却使合金在200℃热暴露后保持较高的强度，这与不含Ag的合金在200℃热暴露时大量θ相析出有关。     

γ-TiAl合金叶片锻造过程的三维有限元模拟

选取经挤压比为12的双相γ-TiAl合金棒材,通过Gleeble等温热压缩实验获取温度为900～1100℃、应变速率为0.01～1s-1之间的流变应力数据,并得出其本构关系。通过有限元方法对γ-TiAl合金叶片的锻造过程进行模拟。结果表明,预热温度和模锻速度对应变场的大小及分布影响很小,而对温度场和应变速率场大小及分布均有影响。     

热暴露温度对Al-Cu-Mg-Ag合金组织和性能的影响

通过实验和计算机仿真研究了热暴露温度对Al-Cu-Mg-Ag合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,热暴露温度影响析出相的长大,当热暴露温度为150℃时,Al-Cu-Mg-Ag合金的稳定性较好。     

热冲击对γ-TiAl基合金显微组织的影响

研究了利用红外辐照快速加热(热冲击)与时效处理对γ-TiAl基合金显微组织的影响.结果表明,热冲击可将片层团平均尺寸为300 μm、片层间距为1.3 μm的粗大铸态近全片层组织处理成为片层团界面平直、片层间距为140 nm的亚稳态组织.经过1260 ℃,6 h时效处理后,形成片层团平均尺寸为40 μm,锯齿状片层团界面的稳态全片层组织.