Ti-6Al-4V的研究进展.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateTi-6Al-4V的研究进展Ti-6Al-4V的研究进展Ti-6Al-4V的研究进展作者:王胜(材料工程学院)摘要:近年来钛合金越来越成为人们关注的对象,它具有硬度大、质量轻等许多其他金属所无法比拟的特点,在许多方面都有应用却覆盖面还在不断扩大。Ti-6Al-4V是其中的一种合金,它强度大,机械性能好,密度小,是现在重要的合金材料,本文就针对它的一些研究做了简单的阐述
2、。关键词:Ti-6Al-4V,研究,应用,展望Ti在地壳中的丰度为0.56%,在所有按元素中居第9位,而在可作为结构材料的金属中居第4位,仅次于Al、Fe、Mg,其储量比常见金属Cu,Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富,储量为世界第一。钛合金的密度小,比强度、比刚度高,抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好,具有优良的综合性能,是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来,世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展,海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平,在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛,在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。
3、第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐热性、强度、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,而成为钛合金工业中的王牌合金,该合金使用量已占全部钛合金的75%85%。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。看来Ti-6Al-4V是钛合金中的主导者,那么我们来对Ti-6Al-4V进行深入的了解。1 概述钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V,具有良好的综合力学机械性能,比强度大。钛合金热导率低,钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10,TC4的热导率l=7.955W/mK。线膨胀系数为7.8910-6,比热为0.612cal/g。钛
4、合金的弹性模量较低。TC4的弹性模量E=110GPa,约为钢的1/2,故钛合金加工时容易产生变形。TC4(Ti-6Al-4V)和TA7(Ti-5Al-2.5Sn)钛合金,采用两种注入方案进行表面改性,试验表明,钛合金经离子注入后,提高了显微硬度,显著地降低了滑动摩擦系数,有效地提高了耐磨性。为探明其改性机理,对注入与未注入样品进行了X射线光电子能谱(XPS)分析,获得满意的结果。 1.1 TC4钛合金力学性能: 抗拉强度b/MPa895,规定残余伸长应力r0.2/MPa825,伸长率5(%)10,断面收缩率(%)25。1.2 TC4钛合金密度: 4.5(g/cm3)工作温度100550()。1
5、.3 TC4钛合金化学成分: TC4含钛(Ti)余量,铁(Fe)0.30,碳(C)0.10,氮(N)0.05,氢(H)0.015,氧(O)0.20,铝(Al)5.56.8,钒(V)3.54.5。2 Ti-6Al-4V的理论研究2.1 Ti-6Al-4V制亚微米甚至纳米晶合金提高金属材料性能的方法之一是生产平均晶粒尺寸小于1cm的合金,它可使合金的强度提高23倍。亚微米晶合金出现超塑性的温度比微米晶合金的低得多。经超塑性成型扩散结合(SPFIDB)可获得亚微米甚至纳米晶合金。超塑成型前的合金不允许存在各向异性,利用大塑性变形如等通道挤压或多重等温 锻造可消除合金内的各向异性。俄罗斯研究人员给出获
6、得各向同性亚微米晶板材Ti-6Al-4V的方法1,并研究了板材的室温和高温机械性能 及其超塑性。俄罗斯VSMPO提供直径为5ram的Ti6A4V合金棒材(6.1A1、4.9V、0.26Fe )。在 700-600内逐渐降低温度,多重等温锻造获得亚微米晶的锻件,其尺寸为100mm 100ram90ram。随后在不高于650的温度下轧制成300ram200ram0.8ram的各向同性亚微米晶板材。从板材上切取15ram4ram0.8ram作为拉伸试样,拉伸轴与轧制方向分别成45、90角,完成20、650、700、750下的拉伸试验,应变速率为l0.4/s10.6/s。 经上述工艺锻造的合金具有均匀
7、的ab两相组织,晶粒尺寸为0.41am,整个锻造平面内的硬度均为38。由锻件和板材的组织发现,合金内存在较大的内应力。由晶粒外形轮廓发现晶界处存在长程弹性应力区。轧制此合金内保留的亚微米晶可提高合金的机械性能。这种结构件组织高度均匀、扩散结合得很好。综上所述,采用大塑性变形(如高温多重锻造)法可获得晶粒尺寸小于l m的亚微米晶的大块合金材料。晶粒尺寸降至纳米级后,合金的低温超塑性能大大提高。575应变速率为210时,晶粒尺寸为60rim的Ti6A13.2Mo合金具有超塑性,该合金的总延伸率高达1200,应变速率敏感系数m0.45,流变应力o=165MPa。在较低温度下热轧获得的亚微米晶的Ti-
8、6A1-4V合金板材,呈各向同性,在600750下具有超塑性,但通常情况下,钛合金板此合金内保留的亚微米晶可提高合金的机械性能。2.2 Ti-6Al-4V包覆叠轧加工钛合金薄板Ti-6Al-4V包覆叠轧2是一种加工钛合金薄板的有效手段。通过选择不同的轧制变形工艺与变形温度等参数,研究了Ti-6Al-4V合金板材组织性能、裂纹扩展特性、断口形貌和织构形念的变化规律等,并重点采用EBSD技术研究了板材的织构形念及其对各项性能的影响情况与内在晶体学机制。研究内容及结果如下:通过对比多种包覆材料,发现16MnR钢与Ti-6Al-4V合金两者的强度在轧制温区非常接近,这有利于两种金属在叠扎加工过程中均匀
9、同步变形,可以以获得较好的轧制效果。为获得隔离/润滑双重效果,所应用的聚四氟乙烯具满足包覆叠轧加工的工艺要求,能够使钛合金叠轧板材在热轧加工过程中避免出现严重粘结、焊合。实验所采用的带有放气孔的叠轧包结构及组坯方式,可使包覆叠轧加工顺利进行,并可以解决加工过程中出现的包套开裂、钛合金芯板挤出包套等问题。经过比较在本实验所采用的几种工艺中,930交叉轧制可以获得最佳的轧制效果,表面质量好,同板差小;而采用近轧制工艺会使板材表面质量下降,产生沟槽等缺陷。 观察发现,当轧制温度较高接近相变点时,会使板材表面产生硬层,同时组织中会含有一定数量的转变组织,这两方面原因的共同作用,使板材的拉伸塑性较低;用
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