研究简报

通过优化合金组成和制造工艺控制钛基合金的性能

为了控制钛基合金的性能，尤其是其形状记忆性能，日本学者松木一弘从合金组成及制造工艺两方面进行优化，取得了一定的研究成果。

合金组成的优化是采用基于固体物理理论的合金电子参数的d电子合金设计理论。该理论的电子参数有两种，一是过渡金属元素的d轨道能级Md，二是结合次数Bo，表示原子间共价键的强度。对于M-Ti二元金属间化合物，随M含量的变化可作出以Md和Bo值为两轴的结晶构造图。而在M-Ti二元合金中再添加合金元素时，合金的Md、Bo的平均值(Mdt、Bot)作为第1近似值。这样可以作出添加不同合金元素的Ti-Ni系合金的Mdt-Bot图。作者对50种组成的三元系TiNi合金作图，推定了达成B2单相的组成范围。并且可以推定，Bo值及Md的绝对值越高，合金的强度也将会越高。依据这种理论可以优化合金组成。

制造工艺上，作者采用了冷坩埚悬浮熔铸法(CCLM)。该方法使用了两个线圈，上线圈用来加热熔化金属，下线圈用来悬浮金属熔液，熔炼中熔融金属不与水冷铜坩埚接触，可消除外来污染，而涡流产生的强电磁搅拌力使合金元素间充分混合，可获得均质的熔池。

设计了Ti-49Ni-1Cr和Ti-49Ni-5Cr两种合金，用上述制造工艺获得了铸件。组织分析结果表明，它们在铸态和热处理态(1 273 K×48 h)的组织与Ti-50Ni合金没有大的差异，为均质单相的等轴组织。拉伸试验结果表明，Cr的添加使合金强度增加。高温氧化试验也表明，Cr的添加可提高合金抗氧化性能。以上都与合金设计理论预测的性能相一致。

还依据该理论设计了添加Re、Cr、Fe、Cu、Al等合金元素的TiNi基合金，测定了马氏体相变起始温度Ms及奥氏体相变起始温度As，整理作图及推定表明，这些合金难以实现330 K以上的形状记忆性能。为此，作者又依据d电子合金设计法设计了β型高温形状记忆钛合金。选择Mo为β固溶型元素，可促进母相的固溶强化；选择Al为α相形成元素，可促进α相的稳定化，抑制ω相的生成，促进热稳定性。最终提出了Ti-6Mo、Ti-6Mo-3Al、Ti-6Mo-3Cu、Ti-6Mo-2Al-1Cu 4种合金。实验结果表明，4种合金在高温下均呈β单相。在400～823 K温度范围测定了As和Af(奥氏体相变终了温度)，依据实验的L字弯曲形状的最大回复值，对应上述4种合金依次为0.4%、1.4%、1.2%、0%。该结果与相分析结果相吻合，可见这些合金中Ti-6Mo-3Al合金具有最大的形状记忆性能。由这些弯曲形状回复值推算出As和Af，Ti-6Mo、Ti-6Mo-3Al以及Ti-6Mo-2Al-1Cu 的As点分别为570、520、510 K，Af分别为770、720、710 K。可见与Ti-Ni系相比，这些合金具备400 K以上的形状记忆性能。

吴全兴译自《チタソ》

热轧和热处理对高强β钛合金板材显微组织和拉伸性能的影响研究

Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金是一种高强β型钛合金。Z.X.Du等人研究了热轧和热处理工艺参数对该合金显微组织和力学性能的影响。通过显微组织观察发现，该合金经α+β两相区轧制过后，晶粒得到充分破碎，比经β单相区热轧后的晶粒细小；经α+β两相区固溶后，合金的晶粒比β单相区固溶后的晶粒小。拉伸测试发现，通过时效热处理，合金组织中析出次生α相，致使合金的强度得到大幅度提升。经790 ℃热轧后，再经800 ℃固溶+440 ℃时效处理后，合金强度达到1 744 MPa。随着时效温度的升高，合金强度减小，塑性升高。此外，合金的塑性主要取决于热轧和固溶热处理工艺参数。研究发现，在α+β两相区进行热轧和固溶热处理后，合金具有优良的塑性。由此可得，通过α+β两相区热轧和α+β两相区固溶处理，能够使得Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金材料具有优良的塑性和较高的强度。

程军译自《Materials Science & Engineering A》

钛合金高速变形过程中Johnson-Cook模型参数的确定与校验

涡轮叶片是飞机发动机最主要的结构件之一，长期工作在高温环境下，且承受转子高速旋转时叶片自身的离心力、气动力、热应力以及振动负荷。在实际使用过程中，若叶片发生断裂，会引起一系列灾难，其中最危险的情况就属具有很高动能的断裂叶片穿透发动机机匣，这样不仅会损坏发动机，而且会造成整个飞机受损。因此，发动机机匣在破裂叶片冲击之下的抗穿透性能是设计飞机涡轮发动机的关键参数。建立可靠、精确的抗穿透性能评价方法，是近年来全球飞机发动机工业的重要任务。将实验研究和三维计算机模拟技术相结合是建立评价方法的基础。Johnson-Cook模型可以用来描述材料在高速冲击等极端条件下的变形行为，该模型的参数与应力状态、应变速度和温度有关。但是获得这些参数，需要大量的材料动态性能数据，即使使用最先进的实验方法，也很难确定该模型的参数。

俄罗斯学者A.E.Buzyurkin等人提出了一种依据冲撞实验确定Johnson-Cook模型参数的方法，能够使钛合金成形模拟计算更加可靠。在俄罗斯的Aviadvigatel OJSC实验室，建立了一种能够确定发动机机匣材料能量消耗特性和结构的实验装置。在该装置中，叶片高速旋转，断裂后冲撞机匣。采用不同材料、不同厚度的机匣以及叶片初始旋转速度，分别进行了5组实验。同时，基于LS-DYNA有限元软件，进行了发动机叶片高速撞击机匣的变形和断裂过程的数值模拟。模拟实验根据实验情形采用三维模型，并选择拉格朗日算法。机匣材料选用Johnson-Cook塑性模型(LS-DYNA Mat 15)以及适用于Mie-Gruneisen状态方程的断裂准则进行模拟。叶片材料选用分段式弹塑性模型(LS-DYNA Mat 24)进行模拟。采用单面接触算法进行描述叶片和机匣的接触过程。叶片和机匣全部采用8节点六面体完全积分实体单元进行离散，在可能出现较大变形或较大应变梯度的地方，单元会更加细小。因此，在碰撞区域的厚度方向选择6个单元。对模型网格划分进行了收敛性测试，即不断的细化网格并求解计算，当第二次与上一次的结果基本一致时，则可以认为上一次的网格划分是足够的。

首先，通过准静态加载，获得了材料的应力应变数据。其次，先给予材料模型参数一个初始值，通过模拟计算，与实际实验结果进行对比，通过调整材料模型参数，当模拟叶片穿透机匣的残余速度与实验误差较小时，则能够确定该模型参数是合适的。最后，研究获得了常用于制造飞机发动机机匣的VT6、OT4和OT4-0钛合金材料的Johnson-Cook模型的8个参数，基于这些参数下的模拟计算结果与实验结果吻合。

宋飞飞译自《Aerospace Science and Technology》

Ti-6Al-4V合金脉冲激光抛光微裂纹产生机理与尺寸特征研究

脉冲激光抛光是一项新兴的材料表面处理技术，可实现复杂型面的精密抛光、微区与选区抛光。在抛光过程中，金属表面瞬时熔化后凝固，温度场变化剧烈，金属材料内部及表面产生显著残余应力，导致抛光表面产生微裂纹，严重影响金属抛光件的使用性能。为研究脉冲激光抛光过程中微裂纹产生机理及抛光主要参数对微裂纹尺寸特征的影响规律,建立了脉冲激光抛光温度场与应力场的有限元计算模型。在有限元模型建立过程中,采用温度场与应力场的顺序耦合方式,考虑了相变潜热和随温度显著变化的材料参数,得到了温度场与应力场在时间上和空间上的变化规律。通过温度场、应力场以及Ti-6Al-4V合金的凝固过程分析,揭示了Ti-6Al-4V合金激光抛光过程中微裂纹产生机理与尺寸特征规律。通过脉冲激光抛光实验验证有限元计算模型的有效性，结果表明:Ti-6Al-4V合金激光抛光微裂纹产生于Ti-6Al-4V合金的凝固时刻,微裂纹的宽度决定于合金凝固时刻热应力引起的塑性变形,微裂纹的深度决定于激光抛光熔池深度;激光功率是微裂纹尺寸特征的主要影响因素,激光功率增大时微裂纹宽度及深度均显著增大;在脉冲激光抛光中可通过外加预热的方式减缓熔融态金属的冷却速度,以减小抛光后的表面裂纹,有效减小微裂纹尺寸特征。

摘自《西安交通大学学报》