钛合金高温变形时的微观组织模型_李淼泉

《TiB_w增强高温钛基复合材料构件锻造成形及组织性能调控》一、引言随着航空航天、能源、汽车等领域的快速发展，对材料性能的要求日益提高。

高温钛基复合材料因其具有优异的力学性能、高温稳定性及良好的加工性能，已成为当前研究的热点。

其中，TiB_w增强高温钛基复合材料由于添加了TiB晶须（Titanium Boride Whisker）而具有更强的力学性能和高温稳定性，因此其构件的锻造成形及组织性能调控成为了研究的重点。

本文将详细探讨TiB_w增强高温钛基复合材料构件的锻造成形过程及其组织性能的调控方法。

二、TiB_w增强高温钛基复合材料的锻造成形1. 材料制备TiB_w增强高温钛基复合材料的制备主要通过粉末冶金法或熔铸法，其中熔铸法更为常用。

通过在钛基体中添加TiB晶须，获得具有优异力学性能的复合材料。

2. 锻造成形锻造成形是TiB_w增强高温钛基复合材料构件制备的关键步骤。

首先，将制备好的复合材料进行加热至适当温度，使材料具有良好的塑性变形能力。

然后，通过模压或自由锻造等方式，对材料进行锻造，使材料获得所需的形状和尺寸。

最后，对锻造后的构件进行冷却处理，使其达到所需的力学性能。

三、组织性能调控1. 晶粒尺寸控制晶粒尺寸是影响材料力学性能的重要因素。

通过调整锻造过程中的温度、压力、时间等参数，可以控制材料的晶粒尺寸。

晶粒尺寸的减小可以提高材料的强度和韧性。

2. 晶界强化晶界是材料中重要的结构特征之一，对材料的力学性能有重要影响。

通过调整锻造过程中的应变速率和变形量，可以改变晶界的形态和分布，从而提高材料的力学性能。

此外，还可以通过添加合金元素或进行热处理等方式来改善晶界的性能。

3. 力学性能测试与分析为了评估TiB_w增强高温钛基复合材料的力学性能，需要进行一系列的力学性能测试，如拉伸试验、压缩试验、硬度测试等。

通过对测试结果的分析，可以了解材料的强度、韧性、硬度等力学性能。

此外，还需要对材料的微观组织进行观察和分析，以了解其晶粒形态、晶界结构等特征。

基于CPFEM的TA15钛合金高温塑性变形研究晶体塑性理论将晶体塑性变形的物理机制及变形几何学与单晶或多晶的弹塑性本构方程相结合，从介观尺度（即晶粒尺度）上解释材料的各种塑性变形行为。

将晶体塑性理论与有限元方法相结合的方法称为晶体塑性有限元方法（Crystal Plastic Finite Element Method，CPFEM），该方法从材料变形的物理机制出发，可以较为准确的反映材料的微观特性。

目前晶体塑性有限元模拟已成为力学界和材料界的研究热点。

钛与钛合金是一种重要的结构材料，以其优异的性能广泛应用在航空航天等领域。

钛有两种同素异构晶型：密排六方(HCP)点阵的α-Ti相和体心立方(BCC)点阵的β-Ti相，由于晶格类型不同，其变形机制差别较大。

文中综合采用了有限元方法、晶体塑性理论、元胞自动机等现代科学技术方法。

从介观尺度出发，根据合金微观晶格结构的不同，研究新型近α型钛合金—TA15钛合金的高温塑性变形，研究在相变点温度以上及以下的TA15钛合金高温的高温塑性变形行为。

文中采用元胞自动机方法得到了相变点上的TA15钛合金的初始晶粒形貌。

建立了适用于变形温度在相变点以上的TA15合金的高温塑性变形的晶体塑性有限元模型。

模拟结果表明多晶体在塑性变形的过程中，晶粒与晶粒之间以及晶粒内部的应力分布存在着明显的差异，晶粒内部与晶粒外部的塑性变形非常不均匀。

通过对滑移系上的剪应变进行分析表明由于各晶粒的取向不同和晶粒间的取向差的差异，不同晶粒的滑移系开动情况差别很大；在同一晶粒内部，由于需要协调相邻晶粒的应变情况，因此滑移系开动的程度也不完全相同。

建立了适用于变形温度在相变点以下的TA15合金的高温塑性变形多晶晶体塑性有限元模型，研究HCP型多晶体在塑性变形后的应力应变状态及变形过程中晶粒的取向分布情况。

结果表明，基于HCP晶体的变形机制所建立的孪生为主滑移为辅的塑性本构关系可以相对较好的描述材料的应力应变状态。

第16卷 第2期 精 密 成 形 工 程2024年2月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING87收稿日期：2023-09-24 Received ：2023-09-24引文格式：叶玉刚, 信灿尧. Ti60合金热变形行为与应变补偿型本构模型[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 87-95.YE Yugang, XIN Canyao. Deformation Behavior and Constitutive Model by Using Strain Compensation of Ti60 Alloy at Ele-vated Temperature[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 87-95. *通信作者（Corresponding author ） Ti60合金热变形行为与应变补偿型本构模型叶玉刚1，信灿尧2*（1.山西工程技术学院 机械工程系，山西 阳泉 045000；2.中北大学 材料科学与工程学院，太原 030051）摘要：目的 确定Ti60合金在高温下的应变行为，促进材料性能的优化和工程应用的发展。

方法 在变形温度为900、950、990、1 020、1 050 ℃，应变速率为0.001、0.01、0.1、1、5 s −1，最大变形量为60%条件下，利用Gleeble-3800热模拟实验机对Ti60试样进行不同应变速率的热压缩实验。

结果 Ti60合金的高温流变应力-应变规律如下：当温度一定时，随着应变速率的升高，峰值应力上升，当温度和应变速率一定时，随着应变的升高，应力表现为先上升后下降的趋势，而在1 020 ℃、0.01 s −1条件下，表现反常，这可能与第二相的动态析出有关。

不同真应变下的变形激活能Q =838.996 201 9 kJ/mol ，相应的本构方程相关系数n =2.889 582，α=0.013 182 009，A =1.335 7×1033，建立了Ti60合金热变形Arrhenius 本构关系模型3838.99610exp 8.314Z T ε⎛⎫⨯== ⎪⎝⎭2.889582332p 1.335710sinh(1.318210)σ-⎡⎤⨯⨯⎣⎦，用于预测和优化Ti60合金在高温条件下的峰值应力。

第9卷 第4期 精 密 成 形 工 程2017年07月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING31收稿日期：2017-05-11基金项目：国家自然科学基金（51505386）；中国博士后基金（2014M562447）作者简介：杨舜（1982—），男，博士研究生，主要研究方向为精密塑性成形理论与技术。

表面粗糙度对钛合金压力连接界面微观组织与性能的影响杨舜，于卫新，李宏，李淼泉（西北工业大学 材料学院，西安 710072）摘要：目的 研究表面粗糙度对钛合金压力连接界面微观组织与性能的影响。

方法 采用压力连接方法，对不同表面粗糙度的TC4合金进行连接试验，观察连接界面处的微观组织形貌，定量分析不同表面粗糙度下，连接界面空洞尺寸与界面结合率的变化规律，通过剪切试验，测定连接界面的剪切强度，并观察剪切断口形貌。

结果 在连接温度为850 ℃、连接压力为30 MPa 、连接时间为10 min 的条件下，连接表面粗糙度Ra 由0.34 μm 减小至0.12 μm 时，连接界面处的空洞逐渐由尺寸较大的长条状转变为微小的圆形空洞，空洞完全消失的区域逐渐增多；平均空洞尺寸由2.7 μm 减小至1.4 μm ，连接界面结合率由88.2%提高至94.6%；连接界面剪切强度由682 MPa 增大至762 MPa ，剪切断口呈现韧性断裂特征的区域显著增大。

结论 表面粗糙度对钛合金压力连接界面微观组织和剪切强度影响显著，降低表面粗糙度有利于提高钛合金压力连接质量。

关键词：钛合金；压力连接；表面粗糙度；微观组织；剪切强度DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2017.04.005中图分类号：TG453 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2017)04-0031-05Effects of Surface Roughness on Microstructure and Mechanical Property of PressBonding Interface of Titanium AlloyYANG Shun , YU Wei-xin , LI Hong , LI Miao-quan(School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)ABSTRACT: The paper aims to study effects of surface roughness on microstructure and mechanical property of press bonding interface of titanium alloy. C4 alloy with different surface roughness was tested with the press bonding method. The micro-structure of bonding interface was investigated, and the variation of interfacial void size and bonding ratio with surface rough-ness was quantificationally analyzed. The shear strength of bonding interface was measured by shearing test and the fracture surface morphology was observed. At 850 ℃, 30 MPa and 10 min, the interfacial voids with a strip shape and an average size of 2.7 μm changed to the voids with a round shape and an average size of 1.4 μm as the surface roughness Ra decreased from 0.34 μm to 0.12 μm. The bonding ratio increased from 88.2% to 94.6% while the shear strength of bonding interface increased from 682 MPa to 762 MPa. The area of fracture surface exhibiting ductile fracture characteristics evidently increased. Surface rough-ness has significant influences on the microstructure and shear strength of press bonding interface of titanium alloy. Decreasing of surface roughness is helpful to improve the bonding quality of titanium alloy.KEY WORDS: Titanium alloy; press bonding; surface roughness; microstructure; shear strength. All Rights Reserved.32精密成形工程 2017年07月钛合金具有耐高温、耐腐蚀性好、比强度高等优点，被广泛应用于航空、航天、机械、化工等多个领域[1—4]。

钛合金的四种基本显微组织摘要：I.引言- 介绍钛合金的基本显微组织II.魏氏组织- 定义魏氏组织- 魏氏组织的形态和特征- 魏氏组织对钛合金性能的影响III.网篮组织- 定义网篮组织- 网篮组织的形态和特征- 网篮组织对钛合金性能的影响IV.双态组织- 定义双态组织- 双态组织的形态和特征- 双态组织对钛合金性能的影响V.等轴组织- 定义等轴组织- 等轴组织的形态和特征- 等轴组织对钛合金性能的影响VI.结论- 总结四种基本显微组织的特点和影响正文：钛合金是一种在航空、航天、化工、医疗等领域具有重要应用价值的金属材料，其力学性能在很大程度上取决于显微组织。

根据显微组织的不同，钛合金可以分为四种基本类型：魏氏组织、网篮组织、双态组织和等轴组织。

魏氏组织是一种片层状的组织结构，其特征是在转变组织的基体上，分布有互不相连的初生颗粒，其数量小于50%。

魏氏组织对钛合金的性能有着重要影响，它能够提高钛合金的强度和韧性，但同时也会降低其塑性和冲击性能。

网篮组织是一种由等轴颗粒和柱状颗粒组成的组织结构，其特征是均匀分布的，含量超过50% 的等轴初生基体上，存在一定数量的柱状颗粒。

网篮组织对钛合金的性能也有重要影响，它能够提高钛合金的塑性和冲击性能，但同时也会降低其强度和韧性。

双态组织是一种由等轴颗粒和柱状颗粒组成的组织结构，其特征是基体中存在大小不同的颗粒。

双态组织对钛合金的性能有着复杂的影响，它能够在一定程度上提高钛合金的强度和韧性，但同时也会降低其塑性和冲击性能。

等轴组织是一种由等轴颗粒组成的组织结构，其特征是颗粒大小相近，分布均匀。

等轴组织对钛合金的性能有着积极的影响，它能够提高钛合金的塑性和冲击性能，同时也能保持其强度和韧性。

综上所述，钛合金的四种基本显微组织：魏氏组织、网篮组织、双态组织和等轴组织，都对其性能有着重要影响。

钛合金的四种基本显微组织摘要：1.引言2.钛合金的显微组织分类3.魏氏组织（片层组织）4.网篮组织5.双态组织6.等轴组织7.结论正文：1.引言钛合金是一种重要的金属材料，其优异的力学性能和良好的抗腐蚀性能使其在航空、航天、医疗等领域得到广泛应用。

然而，钛合金的显微组织对其性能起着关键作用。

本文将对钛合金的四种基本显微组织进行详细介绍。

2.钛合金的显微组织分类钛合金的显微组织主要分为以下四大类：魏氏组织（片层组织）、网篮组织、双态组织和等轴组织。

这些组织的形态、尺寸和分布对钛合金的性能有很大影响。

3.魏氏组织（片层组织）魏氏组织是钛合金中最常见的组织形态，其特点是由相互平行的片层组成。

在片层之间，有富钛相和贫钛相交替分布。

这种组织可以提高钛合金的塑性和韧性。

4.网篮组织网篮组织是一种由细小的富钛相和贫钛相组成的网络状组织。

这种组织具有较高的强度和良好的韧性，因此常用于制造航空航天器等高应力环境下的部件。

5.双态组织双态组织是由两种不同的相组成，一种是富钛相，另一种是贫钛相。

这两种相在钛合金中呈不规则分布，形成了一种类似于“岛屿”的结构。

双态组织具有较好的综合性能，既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性。

6.等轴组织等轴组织是一种晶粒尺寸相近、晶内结构均匀的组织。

这种组织具有较高的强度和韧性，但塑性较差。

在钛合金中，等轴组织往往与魏氏组织、网篮组织和双态组织共存。

7.结论总之，钛合金的四种基本显微组织——魏氏组织、网篮组织、双态组织和等轴组织，各具特点和性能。

第16卷第4期精密成形工程2024年4月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING129激光熔化沉积钛合金-高熵合金梯度材料组织演变研究程宗辉1，陈云鹏1，舒送1，蔡绪康2，王磊磊1,2*（1.国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241007；2.南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 211106）摘要：目的研究钛合金-高熵合金梯度材料不同位置沉积层的微观组织形貌及力学性能演变规律。

方法采用激光熔化沉积的工艺制备了钛合金-高熵合金梯度材料，并建立了有限元仿真模型来辅助分析。

研究对象为TA15基板上单道多层的梯度沉积层，在设计梯度材料成分时，相邻梯度的材料比例变化量为10%（质量分数），TA15钛合金的质量分数由100%逐渐降低至0%，AlNbTiVZr的质量分数逐渐增大。

基于实验对有限元模型进行了一定程度的简化处理，通过热物性参数计算软件和经验公式获取了梯度成分材料的热物性参数，进行了单层单道激光熔化沉积实验以完成热源校核，在与实验相同的工艺参数下计算了温度场并进行了分析。

结果在一层一冷的冷却策略下，多层沉积仍存在一定的热累积现象，沉积15层后，沉积层中部的温度峰值基本保持在2 489 ℃，根据循环曲线，沉积层中部的重熔范围超过1/2。

结论随着高熵合金含量的增加，组织由细小等轴晶、胞状晶和柱状晶转变为多边形晶粒，V、Nb等β稳定元素的增加和Al等α稳定元素的减少抑制了组织中针状α相的形成，V、Nb等元素在晶界产生了明显偏析现象并逐渐增多，抑制了晶粒生长且增强了细晶强化作用，显微硬度随之增大。

关键词：梯度材料；激光熔化沉积；钛合金；高熵合金；微观组织DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.016中图分类号：TG401 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)04-0129-09Microstructure Evolution of Titanium Alloy-High Entropy Alloy GradientMaterial by Laser Melting DepositionCHENG Zonghui1, CHEN Yunpeng1, SHU Song1, CAI Xukang2, WANG Leilei1,2*(1. State-owned Machinery Factory of Wuhu, Anhui Wuhu 241007, China; 2. College of Materials Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)ABSTRACT: The work aims to study the microstructure morphology and mechanical property evolution of titanium alloy-high entropy alloy gradient material deposition layer at different locations. Titanium alloy-high entropy alloy gradient materials were prepared by laser melting deposition, and a finite element simulation model was established to assist the analysis. The research收稿日期：2023-12-12Received：2023-12-12基金项目：国防基础科研项目（JCKY2022605C004）；中国博士后科学基金（2023M730824）Fund：National Defense Basic Scientific Research Projects(JCKY2022605C004); China Postdoctoral Science Foundation (2023M730824)引文格式：程宗辉, 陈云鹏, 舒送, 等. 激光熔化沉积钛合金-高熵合金梯度材料组织演变研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 129-137.CHENG Zonghui, CHEN Yunpeng, SHU Song, et al. Microstructure Evolution of Titanium Alloy-High Entropy Alloy Gradient Material by Laser Melting Deposition[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(4): 129-137.*通信作者（Corresponding author）130精密成形工程 2024年4月focused on the single-track multi-layer gradient deposition layer on a TA15 substrate. During the design of the gradient material composition, the material proportion change of adjacent gradients was 10%. The mass fraction of TA15 titanium alloy gradually decreased from 100% to 0%, and the mass fraction of AlNbTiVZr gradually increased. The finite element model was simplified to some extent based on experiments. The thermal properties of the gradient composition materials were obtained by thermal property calculation software and empirical formulas. Single-layer single-track laser melting deposition experiments were con-ducted to validate the heat source, and the temperature field was calculated and analyzed by the same process parameters as the experiments. The results showed that under a one-layer one-cooling strategy, there was still a certain heat accumulation in multi-layer deposition. The temperature peak in the middle of the deposition layer remained around 2 489 after fifteen layers,℃and according to the cyclic curves, the remelting range in the middle of the deposition layer exceeded half. With the increase of high entropy alloy content, the microstructure transforms from fine equiaxed grains, cellular grains, and columnar grains into polygonal grains. The increase of β-stabilizing elements, such as V and Nb, and the decrease of α-stabilizing elements, such as Al, inhibit the formation of needle-like α phase in the microstructure. V, Nb, and other elements exhibit significant segregation at grain boundaries and gradually increase, inhibiting grain growth and enhancing the strengthening effect of fine grains, resulting in an increase in microhardness.KEY WORDS: gradient material; laser melting deposition; titanium alloy; high entropy alloy; microstructure随着使用温度的升高，材料的高温性能尤其是蠕变性能越来越重要，对材料的发展提出了更高的要求[1-2]。

SP700钛合金热变形行为及组织演变
田宁;宋晓云;叶文君;惠松骁
【期刊名称】《工程科学学报》
【年(卷),期】2024(46)4
【摘要】采用Gleeble3800热模拟试验机对SP700钛合金进行热压缩试验,研究合金在变形温度为800~880℃、应变速率为1~10 s–1、压缩变形量为30%和50%条件下的流变行为及显微组织演变.结果表明,随着变形温度升高和应变速率降
低,SP700钛合金热压缩变形的峰值流变应力降低.合金在800℃压缩变形时,流变应力曲线呈明显的动态软化,其显微组织中α片层逐渐破碎球化,部分α片层发生动态再结晶.随变形温度升高,合金压缩真应力–应变曲线呈稳态流变状态.在相同变形温
度下,随应变速率和压缩变形量增加,α片层球化程度增加.热变形过程中,平行于压缩轴的α片层在压应力作用下弯曲扭折,片层内取向差不连续存在,并于不连续处存在新α/α界面.垂直于压缩轴的α片层在压应力作用下界面发生起伏,片层内部存在累积取向差.在界面起伏处β相楔入α片层,最终导致α片层的破碎球化.
【总页数】8页(P676-683)
【作者】田宁;宋晓云;叶文君;惠松骁
【作者单位】中国有研科技集团有限公司有色金属材料制备加工国家重点实验室;
有研工程技术研究院有限公司;北京有色金属研究总院
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.2+3
【相关文献】
1.TC11钛合金片层组织热变形行为及组织演变
2.TC11钛合金β相区热变形行为及组织演变的研究进展
3.TC11钛合金等轴组织热变形行为与组织演变
4.锻态TB6钛合金热变形行为及组织演变
5.Ti-575钛合金热变形行为及微观组织演变
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Ti3Al基合金α2+β两相区高温变形行为及本构模型研究作者：程静王克鲁来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》2022年第03期Research on High Temperature Deformation Behavior and Constitutive Model of Ti3Al Based Alloy in α2+β Dual-Phase FieldCHENG Jing1， WANG Ke-lu2（1.China Helicopter Design Institute， Jingdezhen 333001， China;2.School of Aeronautical Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063， China）【摘要】論文利用Thermecmaster-Z热模拟机对Ti3Al基合金进行变形温度为950～1 100°C、应变速率为0.01～1 s-1的等温恒应变速率压缩试验，分析了该合金在α2+β两相区的高温变形行为及微观组织演变规律。

结果表明，Ti3Al基合金的流动应力随变形温度的降低而增大，随应变速率的降低而减小，得出该合金变形激活能为707.64 kJ/mol，构建了基于Zener-Hollomon参数的双曲正弦本构方程，该本构模型的相关系数R和平均相对误差E分别为0.961 9和0.135 4，表明其对高温变形行为的预测与Ti3Al基合金实际的高温变形行为吻合良好，研究结果可为Ti3Al基合金的实际生产提供理论依据。

【Abstract】The paper analyzes the high temperature deformation behavior and microstructure evolution law of Ti3Al based alloy in the α2+β dual-phase field by conducting isothermal constant strain rate compression test at deformation temperatures from 950°C to 1 100°C and strain rate from 0.01 s-1 to 1 s-1 using Thermecmaster-Z thermal simulator. The results show that the flow stress ofTi3Al based alloy increases with the decrease of deformation temperature and decreases with the decrease of strain rate. The deformation activation energy of the alloy is 707.64 kJ/mol. The paper constructs a hyperbolic sinusoidal constitutive equation based on the Zener-Hollomon parameters. The correlation coefficient R and the average relative error E of this constitutive model are 0.961 9 and 0.135 4 respectively， indicating that its prediction of the high temperature deformation behaviour is in good agreement with the actual high temperature deformation behaviour of Ti3Al based alloy，and the results of the study can provide a theoretical basis for the practical production of Ti3Al based alloy.【关键词】Ti3Al基合金;热变形行为;本构方程【Keywords】Ti3Al based alloy; thermal deformation behavior; constitutive equation【中图分类号】TG146.2+3 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2022）03-0184-031 引言Ti3Al基合金普遍具有低密度、高强度、高弹性模量、良好的氧化抗力及蠕变抗力等优异的综合性能，是航空研究与应用的重点材料之一[1]。