TC4钛合金激光熔覆路径选择数值模拟研究

使用数值模拟技术,建立了不含预制裂纹的TC4钛合金三维激光熔覆有限元模型,并运用扩展有限元方法(XFEM)模拟裂纹扩展.对直线单向熔覆、直线往复熔覆和对称往复熔覆3种不同熔覆路径下,TC4钛合金激光熔覆温度场、应力场以及裂纹扩展过程进行了模拟.研究结果表明:采用对称往复的熔覆路径,熔覆过程温度场分布较为均匀,最大峰值温...     

TC4钛合金超声微锻造强化机理及数值模拟

为进一步研究超声微锻造强化工艺加工机理及加工后材料表面,以TC4钛合金的超声微锻造强化加工为研究对象,使用基于Boussinesq解及DC-FFT算法的半解析法(SAM),建立了加工过程中载荷加载的数学模型并进行求解,分析讨论其加工机理.同时建立有限元模型,对完整加工过程进行有限元分析,验证半解析结果,并与传统滚压光整...     

Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接数值模拟

利用有限元方法,对Fe-Mn-Si记忆合金平板激光对接焊的温度场和应力场进行三维数值模拟。根据激光焊接特点,建立表面高斯热源和锥形体热源结合的复合热源模型,并编制APDL子程序实现焊接热源的加载和移动。结合材料非线性、相变潜热、边界换热条件等因素,通过模拟计算得到焊接过程中瞬态温度场分布和熔池尺寸,并分析整体温度场分布、焊接热循环特性。焊缝熔合线和尺寸的模拟结果与实际结果吻合良好,验证了模型的正确性。在温度场计算结果基础上,利用间接耦合法,对Fe-Mn-Si记忆合金激光焊的动态应力场和残余应力进行模拟计算,得到焊后最大残余应力为247 MPa,接近其屈服强度。     

激光选区熔化TC4钛合金疲劳与断裂

分析了激光选区熔化ＴC４钛合金疲劳寿命及其影响因素。研究结果表明,激光选区熔化TC4钛合金的疲劳性能与传统的经过退火处理的钛合金性能相当。对断口的疲劳源分析表明,激光选区熔化TC4钛合金的疲劳裂纹起源于距离表面最近的制造缺陷,这种制造缺陷多为不规则形状,在缺陷中能够明显地观察到制造过程中产生的层间界线。通过对比分析可知,疲劳源在试样表面以下的位置及其最大跨度尺寸影响着试样的疲劳寿命。目前,制造缺陷仍然是影响激光选区熔化TC4钛合金疲劳性能的主要因素。     

选区激光熔化成型TC4钛合金的拉伸性能

为实现选区激光熔化成型的TC4钛合金在军用航空上的应用,减小选区激光熔化成型的TC4钛合金垂直沉积方向(XY方向)与平行沉积方向(Z方向)的拉伸性能差异,在室温状态下对选区激光熔化成型的TC4钛合金进行准静态拉伸试验,结果表明选区激光熔化的TC4钛合金两种方向取样的拉伸性能都达到了中国与美国AMS宇航钛合金标准。TC4钛合金沿XY向取样合金的抗拉强度与屈服强度要略高于沿Z方向取样,断后伸长率与断面收缩率略小于沿Z方向取样。合金断口为韧窝特征形貌,与XY方向取样相比,Z方向取样断口剪切唇区域尺寸分布比例略小,纤维区差异不大。     

TC4钛合金薄板储能焊接头组织与性能

采用微型储能焊机对厚度为0．2mm的TC4钛合金薄板进行了快速连接,并研究了接头组织形貌及焊接参数对接头力学性能的影响。结果表明：储能焊能够实现TC4钛合金薄板的快速凝固焊接,焊接接头由熔核和熔核向母材过渡的熔合区（线）组成。极短的焊接时间和高的冷却速率,使得熔核凝固过程具有快速凝固特征,熔核中凝固组织得到显著细化。当焊接工艺参数为电压250V、电容6600妒、电极力20N时,接头剪切强度可达601MPa。     

激光立体成形TC4钛合金动态剪切特性研究

采用微型霍普金森压杆装置和双剪切试样对激光立体成形TC4钛合金的高应变率动态剪切特性进行了研究.通过数值模拟方法从应力、应变均匀性和应力三轴度方面对双剪切试样的缺口形状、剪切区宽度和长度进行优化设计.采用实验方法,分析了不同取向的激光立体成形沉积态TC4钛合金的高应变率（10⁴ s^-1量级）剪切性能.结果表明,动态剪切力学性能并没有明显的各向异性,流动应力随应变率的增大而增加,二者大致呈线性关系.     

激光金属沉积技术制备TC4钛合金工艺的研究

采用激光金属沉积技术制备TC4钛合金,采用X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计等分析TC4钛合金成型件的物相结构、组织形貌、缺陷裂纹、维氏硬度,以研究打印过程中的激光功率和扫描速率对TC4钛合金组织及缺陷的影响规律。结果表明：沉积态TC4钛合金以密排六方结构的α相为主,存在少量的体心立方结构的β相,主要含有细针状、片层状组织。随着激光功率的增加,TC4钛合金的缺陷逐渐减少。随着扫描速率的升高,柱状晶的宽度和熔覆层间距逐渐减小。激光功率为550 W、扫描速率为600 mm/min时,TC4钛合金的最大维氏硬度达到409。     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

利用旋转GAUSS曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型。利用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和＂钉头＂状的熔池形状,试验表明数值模拟结果与试验结果基本吻合。     

等激光能量密度下选区激光熔化TC4钛合金的表面形貌和硬度

以TC4钛合金粉末为原料,通过选区激光熔化工艺(Selective Laser Melting, SLM)成形试验并结合数值模拟,探讨了相等激光能量密度下,工艺参数对成形件性能的影响。结果表明:在等激光能量密度下,激光功率和扫描速度对熔池尺寸有着显著的影响;在本实验中铺粉层厚是影响试样表面粗糙度的最主要因素,最佳铺粉层厚为0.03mm;虽然激光能量密度相同,但是不同工艺参数组合依然会影响试样的表面形貌和微观组织;等激光能量密度下不同的工艺参数组合对SLM沉积态的表面硬度没有发现显著影响。     

激光快速成形与锻造TC4钛合金力学行为对比研究

采用MTS万能材料试验机和分离式Hopkinson Bar技术,分别对激光快速成形与传统锻造TC4钛合金进行了准静态及动态压缩试验,研究了 2种制备方法生产TC4钛合金的力学行为.结果显示,在准静态和动态压缩变形下,锻造TC4-1#(forging TC4-1#)等轴组织均表现出最好的塑性及强度,且呈现出较强的应变强化...     

激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高

对TC4钛合金的熔覆试样进行激光冲击强化试验,比较了激光冲击强化前后试样的显微硬度、表面残余应力、显微组织和疲劳性能.TC4钛合金熔覆后,修复区表面残余拉应力为225 MPa,激光冲击强化消除了熔覆产生的拉应力,产生了449 MPa的残余压应力,在基体残留的压应力高达672 MPa;激光冲击强化后,修复区硬度由强化前的333 HV提高到381 HV.TEM显示:3次冲击后,在TC4材料表面形成了纳米晶层.对强化前后的激光熔覆试样进行高周疲劳试验,结果表明:激光冲击强化提高熔覆后钛合金疲劳强度达15.8％.经分析,冲击后细化晶粒和残余压应力对高周疲劳性能的提高起到了关键作用.     

医用TC4钛合金在模拟人体环境中的耐腐蚀行为研究

为研究医用TC4钛合金在植入人体后的耐腐蚀情况,利用模拟唾液、Hank's模拟体液以及模拟血液3种生理电解液中进行分析。结果表明:采用TC4钛合金与耐蚀性较好的304不锈钢作对比,经过5 d的浸泡腐蚀实验,发现TC4钛合金在3种电解液中的耐腐蚀性明显优于304不锈钢。通过电化学实验分析得出TC4在3种不同电解液中的腐蚀规律。TC4钛合金在Hank's体液中的耐腐蚀性最差,在模拟血液耐蚀性其次,而在模拟唾液的耐腐蚀性最好。由于医用TC4钛合金在Hank's体液中的腐蚀最为严重,故在临床应用中应给予相应的保护措施。     

EBM成型TC4钛合金研究进展

电子束熔化成型技术（electron beam melting,EBM）是3D打印的代表性技术之一,特别适合传统工艺不易加工的Ti-6Al-4V合金（TC4钛合金）的快速成型,目前在航空航天、化工、生物医疗等领域展示出巨大的应用前景。从EBM的原理出发,综述了EBM制备TC4钛合金的显微组织、缺陷以及力学性能。分析了受成型工艺参数和成型件位置等因素影响的冷却速度的变化所导致的TC4钛合金的显微组织发生变化;并指出了导致TC4钛合金出现缺陷的主要原因。EBM成型TC4钛合金的拉伸性能已与锻造TC4钛合金相当,其较低的疲劳强度可以通过热等静压处理提高。     

TC4钛合金热镦加热方法

通过对ＴＣ４钛合金加热方法的研究，提出了接触电加热快速升温的方法，有效避免了空气污染，针对加工中经常出现的热裂，用有限元法了加热过程中的温度场和应力场，结果表明加热效果良好，并且通过实验验证了其可行性，为钛合金棒料热镦工艺的确定提供了理论和实验基础。     

多孔TC4钛合金吸氢规律

利用管式氢处理炉采取固态气相渗氢法进行置氢实验,以研究多孔TC4钛合金置氢过程中吸氢量随置氢温度、置氢时间和相对密度的变化规律,并建立了相应的数学模型.结果表明:当多孔钛合金的相对密度较低时,吸氢量随置氢温度的升高而增加;当相对密度较高时,吸氢量与置氢温度的关系遵循Sievert’s定律,与致密钛合金的吸氢特性一致;多孔钛合金随置氢时间的延长,吸氢量增加;随着多孔钛合金相对密度的增加,吸氢量降低.     

不同损伤模型的TC4钛合金高温损伤数值仿真及裂纹预测

对TC4钛合金进行温度800～1 000℃、应变速率0.01～5 s^-1条件下热拉伸试验。基于Normalized Cockcroft&Latham、Oyane和Rice&Tracey 3种损伤模型,引入了Zener-Hollomon参数,通过遗传算法识别临界损伤值,建立TC4钛合金高温损伤模型。将这3种高温损伤模型集成到Forge^?软件中,分别对拉伸试验进行仿真计算,比较拉伸试样仿真与试验的断裂长度与断口形貌。结果表明：基于Normalized Cockcroft&Latham高温损伤模型的相关系数R值最大,为0.997。模拟与试验断裂长度具有良好的相关性,且模拟断口与试验断口的形状、颈缩程度吻合度最好,表明该高温损伤模型最适用于预测TC4钛合金的损伤行为。     

TC4钛合金高效深磨磨削机理

针对钛合金磨削加工困难的特点,系统开展了TC4钛合金高效深磨工艺试验.通过对单位面积磨削力F’随最大未变形切屑厚度hmax和当量磨削层厚度aeq的变化情况和特征进行分析,探讨了其材料去除方式的变化,研究了TC4钛合金高效深磨过程中消耗的磨削功率.为寻求适合钛合金高效深磨的工艺及方法,提高钛合金加工质量和效率打下坚实的理论基础.     

钛合金TC4电火花线切割加工实验研究

电火花线切割是一种非接触式特种加工技术,在生产中广泛应用.本文对航空航天中常见材料钛合金(TC4)进行研究,对电火花线切割加工中的主要电参数(电流、脉冲宽度、占空比)对工件的加工效率及表面质量的影响进行实验,研究表明:工件表面粗糙度与加工的电流成正比,适当增加脉冲宽度、占空比参数可明显提高加工效率和工件表面质量.     

TC4钛合金板带高温成形性能研究

以TC4钛合金板带为研究对象,重点对其高温下的强度和热导率以及表面氧化皮等进行试验研究和分析.TC4钛合金的屈服强度和抗拉强度以及屈强比均随温度的升高而降低.所测合金的比热容范围为0.61~1.14 J/（kg·K）,热辐射系数为0.58.TC4合金表面氧化缺陷层主要由外侧含氧量较高的氧化皮和内侧的富氧层组成.随加热温度的升高和保温时间的延长,富氧层会向合金基体延伸使其氧化层厚度增加.在较高的应变速率和较低的变形温度下,TC4合金的变形抗力增加明显.应力-应变曲线随应变速率的降低由加工硬化型向动态再结晶型转变,变形温度越高其发生动态再结晶的临界变形量越小.