【摘 要】
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钛合金具有比强度高和抗蚀性优异的优点,受到科研人员的广泛关注。其中,TA15钛合金因其较高的高温强度、良好的热稳定性和焊接性能,在航空航天中得到广泛应用。通过热等静压粉末冶金得到的TA15钛合金构件具有良好的力学性能,甚至可以达到锻件水平,是型号产品研制生产的一种可行途径。电解工艺是将构件浸泡在酸性溶液中,通过外加电流的驱动力实现材料去除的一种工艺手段。在粉末钛合金构件制备流程中,电解工艺是去除型
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钛合金具有比强度高和抗蚀性优异的优点,受到科研人员的广泛关注。其中,TA15钛合金因其较高的高温强度、良好的热稳定性和焊接性能,在航空航天中得到广泛应用。通过热等静压粉末冶金得到的TA15钛合金构件具有良好的力学性能,甚至可以达到锻件水平,是型号产品研制生产的一种可行途径。电解工艺是将构件浸泡在酸性溶液中,通过外加电流的驱动力实现材料去除的一种工艺手段。在粉末钛合金构件制备流程中,电解工艺是去除型芯必不可少的一环,但尚未见到该工艺过程对材料疲劳性能影响的报道,缺乏必要的研究数据。为此,本文系统的开展了电解工艺试验,分析了电解过程对粉末TA15钛合金成分、组织的影响,表征了其拉伸性能和冲击性能,并重点研究了工艺参数对材料疲劳性能的影响,为优化电解工艺参数,提升粉末TA15钛合金的疲劳性能奠定基础。本文的主要研究内容及成果如下:通过光学显微镜和扫描电镜,分析了电解表面的成分和形貌、电解试样显微组织和氢含量的变化,同时也研究了真空退火对试样中氢含量的影响。电解后试样表面颜色逐渐加深,由金属色变为黑色,最终呈黑灰色。对表面膜层的能谱分析表明,膜层中O元素含量增加。电解后粉末TA15钛合金的显微组织由等轴α相和分布在粉末颗粒内部的层片状α相和β相组成,与未电解试样的显微组织相同。在不同的电解工艺制度下,电解后试样的显微组织无明显区别。对于电解处理试样,其氢含量随着电解时间的延长略有上升;随着电解液温度的升高,氢含量的增幅略有增大。对于浸泡处理试样,当浸泡液温度为30℃时,试样中的氢含量随着浸泡时间的延长略有增加。当浸泡液温度升高到40℃时,试样中的氢含量随着浸泡时间的延长大幅升高。试样表层的氢含量高于试样芯部的氢含量,氢元素在试样芯部分布均匀。真空退火可以有效去除电解或浸泡后试样中的氢含量,使其降低至标准范围内。通过万能试验机和扫描电镜,分析了电解试样的拉伸性能和冲击性能,研究了试样的断口,同时探讨了真空退火处理对试样拉伸性能和冲击性能的影响。对于电解处理试样,随着电解时间的延长,试样的屈服强度和抗拉强度略微下降,延伸率和断面收缩率变化很小,电解溶液温度的升高对试样拉伸性能的影响不明显;真空退火处理后试样的强度略微下降,塑性变化不大。对于浸泡处理试样,当温度处于30℃时,试样的屈服强度和抗拉强度随浸泡时间的延长略微上升,延伸率和断面收缩率变化不大,真空退火处理后试样的强度略微下降,塑性变化不大;当温度处于40℃时,试样的屈服强度和抗拉强度随浸泡时间的延长略微上升,试样的延伸率和断面收缩率大幅下降,部分试样发生异常断裂,断为3截。真空退火处理后试样的强度略微下降,塑性恢复到正常水平。异常断裂试样的形貌分析结果表明,其断口平齐,为沿晶断裂和解理断裂混合形貌,断裂源区呈岩石状或冰糖状。对于电解处理试样和浸泡处理试样,随着处理时间的延长,试样的冲击功和冲击韧性变化都很小,真空退火处理后略微下降。通过疲劳性能测试和扫描电镜,分析了电解试样在同一应力水平下的疲劳寿命的变化,并用升降法得到了试样的疲劳极限,同时观察了疲劳断裂断口的特征。电解试样的疲劳寿命随电解时间延长逐渐下降;随着电解溶液温度的升高,试样疲劳寿命的降低速度增加。断口分析结果表明:未电解试样的疲劳源区位于试样的次表面。电解后试样疲劳源区位于试样的表面,由一系列小刻面组成;电解后试样的疲劳扩展区可以观察到典型的疲劳条带特征;疲劳扩展区与瞬断区形貌由韧窝和解理平面组成。对电解试样进行喷砂处理,随后进行疲劳测试,其疲劳寿命大幅增加。
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