钛及钛合金在服役过程中会出现点蚀、应力腐蚀和电偶腐蚀等问题,因此对于钛及钛合金腐蚀行为的研究极为重要.综述了近年来钛及钛合金在海洋工程、航空工业、油气开采和化学工业中腐蚀行为的研究进展及存在问题,简要介绍了钛及钛合金表面处理技术取得的研究成果,最后对该领域发展趋势进行了展望:①在现有研究的基础上应更深入探究钛及钛合金在多影响因素耦合作用下的腐蚀失效行为及表面处理技术;②注重结合实验和数值模拟等手段从微观尺度探究钛及钛合金的腐蚀机理,加快建立钛及钛合金腐蚀性能等相关数据库;③进一步降低各种表面处理技术的成本,开发"复合防护"技术,深入探究能够提升钛及钛合金综合性能的新型表面处理技术.
针对大规格Ti80合金棒材冲击韧性各向异性现象及其内在原因进行了系统研究.夏比冲击试验显示,棒材R/2处弦向的C-R试样(缺口所在面与棒材轴向垂直)的冲击韧性远高于C-L试样(缺口所在面与棒材轴向平行).金相组织结果表明,热处理态Ti80合金棒材横截面显微组织主要由均匀的等轴状初生α相组成,而纵截面组织中还存在与棒材轴向平行的长条状初生α相;冲击断口扫描电子显微镜(SEM)结果表明,C-R试样断面起伏更为剧烈,断面处存在大量横向裂纹,裂纹扩展方向垂直于长条状初生α相,长条状初生α相起到阻碍裂纹扩展的关键作用,从而冲击韧性明显高于C-L试样;断口侧面(与缺口所在面垂直的侧面)背散射电子衍射(EBSD)结果显示,C-R试样在裂纹萌生及扩展的过程中发生了更为严重的塑性变形,这个过程需要消耗更多能量,从而具有更高的冲击韧性.
痕量杂质元素的高效精准测定是高品质钛及钛合金稳定生产的核心保障技术.针对现有检测方法存在的钛合金中痕量杂质元素检测方法的空白,采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS),通过优化电感耦合等离子体质谱仪工作参数,系统研究了检测用同位素种类、溶样方法以及内标元素对测试精准度的影响规律,建立了钛及钛合金中痕量汞和钇的检测方法.结果表明:所建立的检测方法对于汞和钇含量为0.10～100.0 ng/mL的样品,其线性相关系数高于0.999,汞和钇的检出限分别为0.07 ng/mL和0.06 ng/mL,样品的加标回收率在97.0％～102.2％之间.该检测方法灵敏度高、结果准确,可以满足高品质钛及钛合金中痕量汞和钇的高效精准测定.
采用真空电子束焊接工艺焊接金属铪板材,研究了金属铪焊后的微观组织和力学性能.结果表明,金属铪在焊接电压为60kV、焊接束流为36 mA/40 mA、焊接速度为1000 mm/min的工艺条件下,可以实现金属铪的稳定焊接,获得无内部缺陷的焊接接头.金属铪组织为晶粒大小一致、晶界清晰的等轴晶组织,晶粒度达到10级.经真空电子束焊接后,其焊缝区的晶粒明显长大,表现为不均匀分布的、粗大的树枝晶组织,并存在少量的退火孪晶组织.由于焊缝区域晶粒粗化及树枝晶的形成,金属铪真空电子束焊接接头的拉伸性能显著低于母材,断后伸长率仅约为母材的50％.同时,金属铪焊缝拉伸断口形貌呈现光滑的解理台阶、撕裂痕、裂纹等解理断裂特征,并伴有河流状花样,为脆性断裂.
以氢化钛粉为原料,采用粉末冶金-热等静压法制备近α型Ti-1100合金,并基于ABAQUS对φ12 mm×8 mm试样的热压缩试验进行有限元分析.结果表明:Ti-1100合金试样中心区域受到较大压应力的作用,变形最大;鼓形区域受拉应力作用,和顶部区域的变形程度均相对较小.在低温高应变速率下,试样中心区域的温升最大,出现动态软化特征,不均匀变形程度较大,且中心区域与鼓形区域的应力差值较大,内部变形剧烈;鼓形区域显微组织以倾斜的层状α晶粒为主,有局部塑性流动现象出现.在高温低应变速率下,内部变形相对均匀,显微组织以等轴α晶+β转变组织为主.此外,在所有变形条件下,中心区域均以层状α晶粒为主,并发生了动态再结晶,顶部区域与中心区域的组织相似.
采用研磨抛光、酸洗减薄以及研磨抛光+酸洗减薄3种工艺对退火态TA15钛合金板材进行表面处理,研究了不同表面处理工艺对板材弯曲性能的影响,并分析了板材弯曲开裂机理.结果表明:经研磨抛光+酸洗减薄的联合工艺处理后板材的弯曲角度最大,酸洗减薄工艺次之,研磨抛光工艺最小.经研磨抛光后,试样表面形貌呈现出锯齿状纹理,而研磨抛光+酸洗减薄工艺可以钝化研磨抛光形成的锯齿状磨削纹理,降低表面粗糙度,获得更加平整的表面.经分析,认为弯曲试样的开裂机理是试样弯曲过程中,锯齿状纹理处易产生局部应力集中,形成裂纹源或成为裂纹扩展的通道.研磨抛光试样的弯曲断口分析表明,裂纹起源于试样表面,韧窝形态呈现多而深的特征,为典型的韧性撕裂断口.
研究了TB18钛合金棒材经β固溶缓慢冷却时效(BASCA)热处理后的显微组织和力学性能.结果表明,TB18钛合金棒材在β相区固溶后缓慢冷却条件下,α相在β晶界和晶内均有析出,晶内α相呈点状或短针状,晶界α相基本呈薄膜状镶嵌在β晶界上.冷却速度对晶界α相影响较大,当冷却速度为1 ℃/min时,晶界α相以透镜状在晶界上不连续析出,形成"项链"组织.随着冷却速度的降低,析出的晶界α相越来越多且相互连接为一体,并逐渐粗化呈连续的波浪状.缓慢冷却后形成的晶界α相对合金塑性和韧性不利,随着冷却速度的减小,合金塑性和韧性均降低.TB18钛合金棒材经过β相区固溶空冷+时效处理后,可获得在抗拉强度接近1300MPa的水平下,延伸率达到8％,断裂韧性超过80 Mpa·m1/2的优异综合性能.
焊缝作为锆合金包壳上的薄弱区域,更易发生腐蚀,导致包壳破损.为保障反应堆长寿期安全稳定运行,需探寻焊缝腐蚀性能的影响因素,从而提高包壳焊缝的耐蚀性能.在高温高压釜中对Zr-Nb合金包壳端塞堵孔焊焊缝进行了水侧腐蚀实验,研究了钨夹杂对焊缝腐蚀行为的影响.结果表明:钨元素在焊缝组织基体中以W2Zr形式存在,会影响氧化膜的致密性,从而加快焊缝腐蚀进程;腐蚀后钨元素在样品表面广泛分布,且富集于腐蚀坑处,在氧化膜破损处可以观察到球状颗粒,推测成分为CaWO4;钨含量对样品腐蚀速率有较大影响,表现为钨含量越高,腐蚀速率越快.
基于国内某企业3200 kW 的双流C 型电子束冷床炉(EB 炉),建立了钛液流动-传热-凝固-挥发的多场耦合数学模型,理论分析了不同熔炼工艺下初炼和精炼冷床内钛液的冶金行为.结果表明:稳定熔炼过程中,热辐射为热量散失的主要途径,占总散失热量的77.63％,热传导散失的热量占比为22.36％,钛挥发导致的热量损失忽略不计;钛液挥发主要发生于初炼冷床内:相同熔炼功率下,增加熔炼速率可降低初炼冷床内钛液的过热度和挥发速率,当熔炼速率由1000 kg/h增加至2000 kg/h时,钛液的过热度由210 K降低至8 K,最大挥发速率由0.0022 kg/s 降低至0.0004 kg/s.
日本大阪钛科技公司2023财年第1季度(2023年4月1日至2023年6月30日)营业额为141.30亿日元,较2022财年第1季度的87.02亿日元增长了62.4％;营业利润为16.91亿日元,较2022财年第1季度的4.22亿日元增长了300.5％;净利润为20.73亿日元,较2022财年第1季度的8.17亿日元增长了153.6％.公司钛事业部2023财年第1季度销售额为134.07亿日元,同比增长75.9％.
舰船和海洋领域对钛合金材料的需求呈大型化发展趋势,铸锭作为锻件和板材的母材,其大型化也势在必行.为满足大型铸锭的工业化生产,采用有限元分析法对真空自耗电弧熔炼(VAR)超大规格TC4 ELI钛合金一次锭和成品锭的熔炼过程进行了数值模拟研究.结果表明,一次锭熔炼过程中稳弧电流和稳弧周期直接影响熔池中夹杂物的运动轨迹;对于TC4 ELI钛合金一次锭熔炼,较为合适的稳弧参数为稳弧电流30 A,稳弧周期40 s;成品锭熔炼时,降低熔炼电流,增大稳弧电流和稳弧周期,即加强VAR熔炼过程中的搅拌有助于提高铸锭成分均匀性和表面质量.根据数值模拟结果进行了12.8 t级超大规格TC4 ELI钛合金铸锭的工业化生产,所得铸锭表面质量良好,成分均匀.
钛合金具有密度低、比强度高等多种优点,但存在摩擦因数高、耐磨性能差、高温易氧化等缺点.激光熔覆技术可根据需求提升钛合金的表面性能,满足不同服役环境下对钛合金零部件的使用要求.为此,重点介绍了钛合金表面激光熔覆材料,包括自熔性合金粉末、陶瓷粉末、金属基陶瓷复合粉末等,讨论了激光熔覆工艺对涂层性能的影响,最后指出了钛合金表面激光熔覆涂层的发展方向:①发展新型熔覆层材料体系;②优化激光熔覆工艺参数;③研发功能梯度涂层.
研究了Cr、V、Mo、Al等元素对Ti-Ta系合金在6 mol/L沸腾硝酸中腐蚀行为的影响规律.通过扫描电子显微镜(SEM)和电化学工作站等分析方法对不同成分合金的腐蚀速率、钝化膜形貌、极化曲线等进行分析.结果表明,单独添加Cr、V、Mo元素对Ti-Ta合金的耐蚀性能影响较小,而添加Al元素会大幅降低合金耐蚀性能;Ti-Ta-Cr合金的腐蚀速率最低,钝化膜致密度最高,稳定性最佳;Ti-Ta-Al 合金在腐蚀过程中很难形成致密且稳定的钝化膜.对于Ti-Ta系多元合金,复合添加Cr、V元素有助于获得致密的钝化膜,添加Mo元素会降低钝化膜致密度和稳定性,Al元素添加量为1％(质量分数)时对合金钝化行为的影响不大.提高氧浓度会恶化Ti-Ta-X三元合金在沸腾硝酸中的耐蚀性能.
研究了不同冷轧变形量和退火工艺对Gr.39 钛合金带卷显微组织和力学性能的影响.结果表明,对于热轧退火态Gr.39 钛合金带卷,当冷轧变形量从0 升高到59.4％时,显微组织由完全退火的等轴组织逐渐变形为被拉长的纤维状组织,并且随着变形量的增加,材料加工硬化程度逐渐增加.考虑到轧制过程的稳定性,建议单轧程冷轧变形量控制在60％以内.Gr.39 钛合金带卷在700 ℃退火发生完全再结晶,退火温度升高至相变点以上时,显微组织转变为粗大魏氏组织.随着退火温度的升高,抗拉强度和屈服强度逐渐降低,延伸率逐渐升高.推荐冷轧Gr.39 钛合金带卷退火制度为700 ℃/8 h/AC.
为了研究Ti6321 合金在不同温度下的服役性能及其塑性变形机制,在-196～400 ℃下对其进行拉伸性能测试并对断口形貌和显微组织进行分析.结果表明,随着温度的升高屈服强度和抗拉强度逐渐降低,屈强差和断面收缩率逐渐增大:延伸率在-100 ℃降至16.0％,之后随着温度的升高而升高.不同温度下Ti6321 合金的塑性变形机制有所不同.25 ℃下Ti6321 合金塑性变形机制主要为柱面滑移.-196 ℃下Ti6321 合金的位错滑移受到抑制,此时等轴α相滑移类型为柱面滑移、一级锥面＜a＞和＜a+c＞滑移,片层α 相滑移类型为基面＜a＞滑移和二级锥面＜a+c＞滑移:但｛10(1)2｝和{11(2)2 }孪晶开动使塑性得到恢复,变形机制为滑移、孪生共存,以滑移为主.200 ℃和400 ℃下Ti6321 合金位错交互作用强烈,可发现位错网等位错组态特征,同时有少量{ 10(1)2｝孪晶开动,变形机制主要为位错滑移.等轴α 相与片层α 相中的滑移类型相同,为柱面＜a＞滑移和二级锥面＜a+c＞滑移.
