材料开发与应用

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本刊定位于“成为船舶及海洋工程材料技术交流平台，加强材料界学术交流，促进船舶行业和海洋工程领域技术创新和产业发展”。主要刊载各类金属材料、高分子聚合物材料、无机非金属材料、复合材料以及腐蚀与防护、失效分析、测试评价等技术相关的高水平论文。

主编：廖志谦

执行主编：马玉璞

副主编：全识俊

主管：中国船舶集团有限公司

主办：洛阳船舶材料研究所; 中国造船工程学会船舶材料学术委员会

编辑出版：《材料开发与应用》杂志社

ISSN 1003-1545

CN 41-1149/TB

当期目录
2024年第39卷第4期

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专刊｜先进钛及钛合金

TA31合金磁控窄间隙TIG焊接接头组织和性能研究

孙清洁, 孙琪, 刘一搏, 史从俊, 刘成荫, 杜永勤

2024, 39(4): 1-9.

[摘要](32) [PDF 24323KB](20)

摘要:
为解决TA31钛合金窄间隙焊接过程中的侧壁不熔合问题,开展了磁控电弧摆动对侧壁润湿机理的研究,成功完成42 mm厚TA31钛合金厚板的焊接,并对焊接接头的微观组织和力学性能进行了测试分析。结果表明:磁控电弧摆动有助于改善液态熔体对侧壁的润湿性,获得凹面坡口。润湿性的提高主要是由于电弧摆动改变了熔池与侧壁之间的温度梯度,并且摆动电弧利用电弧压力和电弧剪切力推动熔池向侧壁流动。对42 mm厚的TA31钛合金接头进行组织分析发现,打底层由于热输入较低,宏观组织为等轴β晶粒;填充层及盖面层的热输入相对较高,为粗大的柱状β晶粒。这是由多层焊接过程中原始β晶粒竞争生长机制和外延生长机制导致的。β晶粒内部由纵横交错的针状α相组成,属于典型的网篮组织;打底层受热循环影响,α相明显粗化。焊缝区平均冲击吸收能量为55 J,约为母材的74%;热影响区平均冲击吸收能量为62 J,约为母材的84%。磁控窄间隙焊接技术可以解决侧壁不熔合问题,从而获得组织和综合力学性能良好的TA31钛合金接头。

增材制造不同微-纳粒径比B₄C增强TC4复合材料组织及性能研究

张文书, 魏晨, 李兵, 任勇, 闵金, 常辉, 周廉

2024, 39(4): 10-17.

[摘要](17) [PDF 6553KB](4)

摘要:
采用直接激光沉积(LDM)工艺在TC4钛合金表面成功制备含有3%(质量分数) B₄C增强的B₄C/TC4复合材料。分别选用粒径50 μm和50 nm的B₄C颗粒与TC4粉末进行机械混粉,并完成LDM成型,对比测试了微米级B₄C增强颗粒与纳米级B₄C增强颗粒质量分数比值分别为1%∶2%、1.5%∶1.5%、2%∶1%的3种具有不同微-纳B₄C增强颗粒比例样品的显微组织和界面处显微硬度。研究结果表明,添加B₄C增强相后,材料的显微组织明显细化,不同尺度B₄C增强颗粒含量能够对第二相TiB与TiC的结晶度以及晶粒尺寸产生影响,纳米B₄C较多时,样品中的TiC结晶度较好,TiB以纳米颗粒镶嵌在TC4晶体中。当微-纳B₄C比例相近时,TC4基体硬度最高,样品内部的TiB具有较高的结晶度与较大的晶粒尺寸,同时第二相区域内的TiB与TiC的硬度也最高。

焊丝成分和焊后热处理对新型α+β钛合金焊接接头组织和硬度的影响研究

徐颖昶, 王倩, 杨杰, 周牧, 黄森森, 齐敏, 马英杰, 雷家峰, 李洪晓

2024, 39(4): 18-27.

[摘要](15) [PDF 22045KB](6)

摘要:
针对新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Sn系α+β钛合金板材进行了多层多道钨极惰性气体保护焊接,该方式连接温度低,对母材影响小,且不受材料尺寸大小限制。采用β稳定元素含量不同的两种焊丝制备焊接接头,并对接头的组织形貌和维氏硬度分布进行了研究和分析。结果显示,随着离熔合区的距离减小,母材由魏氏组织逐步过渡到次生α相交叉的网篮组织,热影响区硬度始终大于母材与熔合区的。焊丝中β稳定元素含量较低的焊接接头熔合区的平均硬度约为299.4HV,减小焊丝β稳定元素含量能显著粗化熔合区α片层,降低熔合区平均硬度至275.5HV。对2种焊丝焊接接头进行3种不同制度的焊后热处理,发现热处理温度在650 ℃和700 ℃条件下,熔合区α片层和热影响区次生α相尺寸均无明显变化,但在750 ℃热处理后两者均发生粗化,且焊接接头热影响区的平均硬度降低至与熔合区和母材的接近,两种焊丝焊接接头的平均硬度分别为311.7HV(β稳定元素含量较高)和293.7HV(β稳定元素含量较低)。因此,可以通过改变焊丝元素含量和焊后热处理温度来调整焊接接头微观组织,进而实现对该钛合金焊接接头硬度分布的调控。

基于显微组织调控的Ti80合金强韧化机理研究

刘向宏, 吴聪, 和卫平, 唐敏, 蒋鹏, 余巍, 杨胜利, 杨晶, 雷蕃, 王凯旋, 赵小花, 陈海生

2024, 39(4): 28-37.

[摘要](18) [PDF 19407KB](7)

摘要:
Ti80合金是由我国自主创新研制的耐蚀可焊近α型钛合金,海洋装备对Ti80合金的强度、塑性和冲击韧性提出了更高要求。通过调控退火温度得到Ti80合金等轴、双态和魏氏三种典型组织,对其进行力学性能测试,并采用SEM及EBSD技术阐明其演变规律和强韧化机理。结果显示:等轴α相优异的协调变形能力使等轴组织和双态组织具有优异的塑性,交错分布的α集束的协调变形能力差导致魏氏组织的塑性最差;魏氏组织的冲击吸收能量最高,三种组织冲击性能的差异主要来源于裂纹扩展功的不同;双态组织中等轴α相具有优异的塑性变形能力,片层α相具有较好的偏折裂纹作用和一定的塑性变形能力,因此,相对曲折的裂纹扩展路径以及沿着裂纹路径的良好塑性变形使其具有最优异的强度-塑性-冲击韧性匹配。

添加Y元素对Ti-6Al-4V-2Cr-1.5Mo合金组织和力学性能的影响

李汉, 刘凤竹, 崔云峰, 李士凯, 王文焱, 谢敬佩, 黄文君, 刁晓刚

2024, 39(4): 38-44,75.

[摘要](17) [PDF 6958KB](10)

摘要:
通过OM、SEM、XRD和TEM对热处理态Ti-6Al-4V-2Cr-1.5Mo-xY(x=0.1,0.5,1.0,1.5,质量分数)合金的组织和力学性能进行分析,发现添加稀土Y元素后,合金的组织得到了明显的细化,产生的稀土氧化物Y₂O₃弥散分布在基体中;且当Y元素的添加量为0.5%时,合金的强度、硬度和伸长率最好,性能最优。对热处理态的Ti-6Al-4V-2Cr-1.5Mo-0.5Y进行分析,发现析出相Y₂O₃与基体α-Ti之间的错配度为0.141 3,属于半共格界面。

退火温度对高纯钛冷轧薄板组织和力学性能的影响

常赛鹏, 王丙兴, 焦晶晶, 田勇, 王斌

2024, 39(4): 45-52.

[摘要](17) [PDF 16803KB](5)

摘要:
以高纯(99.995%)钛板材为研究对象,对压下量为60%的冷轧高纯钛板材进行了不同温度的退火处理。采用 EBSD技术对高纯钛板材的显微组织进行了表征,对退火后的钛板材进行拉伸试验和硬度测试。结果表明,随着退火温度的提高,高纯钛板材的抗拉强度和硬度不断下降,而伸长率得到提高;在600 ℃下退火10 min后,板材的伸长率达到(74.6±5.0)%,抗拉强度达到(217±2) MPa。显微组织结果表明,在600 ℃下退火10 min后,晶粒已完全转变为无畸变的等轴晶,KAM值降低至0.16°,表明此时板材内部几乎不存在局部应变和储存能。这主要是因为随着退火温度的提高,晶粒的位错密度降低,软化效果增强。

中强高韧钛合金EB熔炼及板材制备

李渤渤, 王哲, 张强, 姚迪, 裴腾, 王非, 吴宇坤, 蒋鹏, 樊江昆, 郝晓博, 陶会发, 高松

2024, 39(4): 53-58,82.

[摘要](14) [PDF 9532KB](4)

摘要:
采用短流程、低成本的一次EB熔炼方法制备钛合金扁锭,然后通过不经锻造直接进行轧制的工艺方案,获得了700 MPa级20 mm厚的Ti-Al-Mo-V-Zr-Sn成分体系钛合金热轧板,研究了热处理工艺对钛合金板材组织、性能的影响。结果表明:通过EB炉一次熔炼可以获得成分均匀的Ti-Al-Mo-V-Zr-Sn系钛合金扁锭,采用在T_β相变点附近开坯轧制,并在α+β两相区换向轧制及成品退火热处理的工艺方案,获得了中强高韧钛合金板材,且随着热处理温度升高,钛合金板材冲击韧性提升,在900 ℃的热处理温度下获得了最佳的强度和韧性匹配,为中强高韧低成本钛合金板材制备提供了可行方案。

TB9钛合金棒线材制备过程中微观组织和力学性能演变

董恩涛, 滕艾均, 耿乃涛, 方强, 康强, 郭杰, 张天馨

2024, 39(4): 59-65,122.

[摘要](16) [PDF 12475KB](3)

摘要:
通过光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射技术等系统研究了TB9钛合金棒线材在制备过程中的微观组织及力学性能的演变过程。结果表明:通过真空自耗电弧熔炼、锻造、轧制及拉拔等工艺能够制备出表面质量良好、横截面组织性能一致的不同规格TB9钛合金棒线材产品。其中,开坯锻态组织由随机取向的粗大β相及极少量动态再结晶(DRX)晶粒构成,平均晶粒尺寸在1 000 μm以上。径锻态组织主要由约400 μm的β晶粒构成,累计应变的增加使得DRX晶粒百分数增加。多道次热变形获得的 ϕ10 mm棒材盘圆组织由尺寸为15 μm的细小晶粒组成,具有显著的热加工变形特征,固溶水冷处理能使组织均匀并获得无畸变β晶粒。热拉拔变形能够进一步细化晶粒,并提高TB9钛合金强度,强度最高可达1 100 MPa以上,但塑性有所下降。

两种TC4钛合金板材的显微组织均匀性及力学性能各向异性研究

童法松, 王树森

2024, 39(4): 66-75.

[摘要](14) [PDF 18402KB](3)

摘要:
研究了不同轧制工艺对TC4钛合金板材显微组织及力学性能的影响,结果表明,采用β热变形工艺可获得片层α相+残余β相组成的片层组织,而采用α+β热变形工艺可获得等轴初生α相+片层次生α相+残余β相组成的等轴组织。力学性能测试结果表明:等轴组织TC4钛合金板材的强度-塑性匹配高于片层组织TC4钛合金板材的,而片层组织TC4钛合金板材的冲击、断裂韧性更高。进一步分析了两种TC4钛合金板材的显微组织性能均匀性及力学性能各向异性,结果表明:两种TC4板材沿厚度(ND)方向的显微组织及力学性能均匀性较好,而沿板材轧向(RD)和横向(TD)上存在一定程度的各向异性。原因如下:板材中存在<0001>α//TD的α相织构,导致TD方向位错滑移阻力增大,使TD方向的强度高于RD方向的;板材沿RD方向存在明显的组织流线,导致裂纹穿晶扩展过程阻力增大,使TD-RD方向的冲击、断裂韧性高于RD-TD方向的。

钛合金零件残余应力消除及形状精度保持性研究

杨三强, 王磊, 李茂伟, 高战蛟, 韩建超, 祁俊峰

2024, 39(4): 76-82.

[摘要](21) [PDF 2640KB](5)

摘要:
将真空去应力退火、深冷处理和高低温循环热处理进行组合,对航天器结构产品中常用的TC4 R态钛合金典型样件开展残余应力消除试验,并采用X射线衍射法对样件进行残余应力测量,计算处理后样件内部和表面残余应力的平均消除率,最后对处理后样件进行形状精度检测,验证各种热处理方法对形状精度保持性的效果。结果表明,真空去应力退火最为有效,深冷处理次之,高低温循环热处理效果最差,残余应力平均消除率的大小和形状精度保持性的好坏呈强正相关性。相对于未经处理的样件,经真空去应力退火+深冷处理+高低温循环热处理样件的内部/表面残余应力平均消除率和形状精度保持性最高,经真空去应力退火+高低温循环热处理样件的次之,经深冷处理+高低温循环热处理样件的再次之,只经高低温循环热处理样件的最低。

激光增材制造钛合金成形件缺陷三维表征与电脉冲修复技术的研究进展

党宁, 魏晨, 惠城, 杨渊雨, 杨尚谕, 王建军, 韩礼红

2024, 39(4): 83-97.

[摘要](16) [PDF 9841KB](3)

摘要:
增材制造技术具有设计自由度大、无需模具、可近净成形的优点,在航空航天、海洋工程、石油工程等领域有着广阔的应用前景。然而,以钛合金为代表的高强合金由于其热导率低、充型能力差的本征属性,导致激光成形构件易出现气孔、热裂纹、冷裂纹等成形缺陷,从而降低其力学性能。近年来,为了深入挖掘成形缺陷形成的微观机理,研究人员研发了多种缺陷的表征技术,并在此基础上开发了缺陷修复技术。本研究从缺陷三维表征和电脉冲修复技术两个角度出发,总结了目前成形缺陷三维无损表征技术和无损修复技术的进展,并对未来激光增材制造成形件的缺陷分析和修复技术进行了展望。

钛合金电辅助成形本构模型及仿真研究进展

雷奕文, 刘焱, 张骞文, 贺文勃, 李细锋

2024, 39(4): 98-109.

[摘要](16) [PDF 11933KB](5)

摘要:
电流辅助成形技术具有降低材料变形抗力、提高零件成形精度等优点,已被广泛应用于轻质难变形钛合金的高质量精密成形。电流引起的焦耳热效应和非热效应的综合作用会对钛合金的力学性能和微观组织产生多重影响。因此,传统本构模型能否准确描述电辅助成形过程中材料的力学行为仍存在争议。基于此,首先总结了有关电致塑性效应机理的研究,阐明了电流对钛合金宏观力学行为和微观组织演变的影响规律。其次,梳理了目前电流辅助成形过程中材料本构模型的先进性与局限性,以及综述了借助不同尺度下的计算机仿真方法研究钛合金电辅助成形过程。最后,展望了钛合金电辅助成形本构模型及仿真技术的研究方向。

超高强钛合金疲劳行为研究进展

袁天经, 张欣蔚, 景家瑞, 吴小文, 樊亚龙, 赖敏杰, 李金山

2024, 39(4): 110-122.

[摘要](28) [PDF 10469KB](11)

摘要:
超高强钛合金具有高比强度、高淬透性、耐损伤和优异的耐蚀性等优点,被广泛应用于飞机起落架、机身框架和紧固件等高强度结构件的制备。在实际服役过程中,这些构件常常在循环载荷的作用下发生疲劳失效,因此深入研究超高强钛合金的疲劳失效规律和失效机理,既具有重要的科学意义,又能对实际工程应用提供指导。本研究综述了目前关于超高强钛合金疲劳行为的研究,并探讨了经变形及热处理调控的微观组织对合金疲劳损伤机制的影响。具体关注了在双态和全片层组织中,α相的取向、体积分数、尺寸和分布等特征参量对合金在疲劳裂纹萌生和扩展两个阶段内的变形行为、损伤模式的作用机理。此外,还关注了超高强钛合金的疲劳性能强化手段,并对未来超高强钛合金疲劳研究方向进行了展望。

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