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機加工藝及測試條件對TC4鈦合金棒室溫拉伸性能的影響
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機加工藝及測試條件對TC4鈦合金棒室溫拉伸性能的影響

發布時間 :2024-03-27 06:30:50 瀏覽次數 :

鈦合金從上世紀開始就已經成為了非常重要的結構材料,鈦合金具備優質的綜合性能,具有一定的組織穩定性,在航空發動機葉片、緊固件等主要零件中應用甚廣。我國各大理 化檢測公司檢測鈦合金拉伸性能所用的檢測工藝存在差別,如此一來就導致檢測試驗數據不同,比較分散。但是,國外對合金的檢測工藝有著清晰嚴格的規定。為探索檢測工藝的不同對鈦合金拉伸性能所造成的影響,本文將TC4鈦合金作為研究的主要對象。

TC4鈦合金棒

眾所周知,批次相同的小規格棒材性能和材料關聯較小,而試樣加工和條件很大概率上才是使檢測數據產生變化的關鍵因素。倘若要避免材料因素對TC4性能造成不良影響,那么在開展試驗的過程中就需要挑選出同批次的棒材,以此為基礎研究機加工藝和測試條件對TC4性能的影響,從而確保檢測數據準確有效。

一、TC4鈦合金

所謂的TC4鈦合金實際上就是中等強度的α-β型兩相鈦合金,包含了6%的α穩定元素Al和4%的β穩定元素V。TC4合金的綜合性能比較高,在航空、航天工業等領域中應用 甚廣。合金長期工作溫度在400℃以上,在航空工業中主要用于制造發動機風扇、氣壓機盤、葉片、還有飛機結構里面的梁和接頭等關鍵承載力的構件。

TC4合金有諸多半成品,如薄板、鍛件、鈦棒材等。合金主要在退火情況下使用,當然也可使用固溶時效處理加以強化,但是要注意的一個問題就是淬透截面不應大于25mm。TC4合金有著非常好的工藝塑性和超塑性,適用于不同壓力下加工成形,這種合金也可以使用不同的方法加以焊接和機加工。

二、方案

(一)機械加工工藝

本文為有效探索機加工對合金拉伸性能的影響,在具體開展試驗的過程中,相關試驗人員以TC4合金為主,使用Φ45mm的棒材,化學成分滿足相關規定,合金處于退火情況 下,組織也是均勻的。在同樣的試驗機種條件下,挑選合適的機加工藝開展TC4合金拉伸性能試驗。試樣縱向,取樣處在試驗棒材直徑四分之一的地方。棒材長度為70mm,圍繞直徑方向縱向剖分為四件毛料,試樣需要符合我國相關標準。再者,機加工藝方案存在差別,故而方案試樣數量分別選用5件。一是粗車、半精車、精車與拋光;二是粗車、半精車及精磨;三是粗車、半精車與精車;四是粗車與半精車。這幾種機加工藝包含了現階段國外、國內多種圓形拉伸試驗樣品加工法及其成型狀態,選用不同的方案加以研究,可以了解到機加工藝對合金產品性能的影響規律。

(二)測試條件

此次試驗主要是位移控制,根本原因在于我國大多以此種拉伸率進行控制。采用10組試驗樣品進行試驗,實驗過程中每組方案試樣數量為5根,按照第二種方案進行抗拉、屈服強度等測試。屈服前后速率有所改變,與此同時這部分速度交叉變化,如此可以獲得位移速率對延伸率、抗拉、屈服強度等的影響,還有試驗過程中速率產生變化對拉伸性能的影響,進而挑選出最合適的測試方式。

三、結果與分析

(一)加工工藝影響TC4性能

根據試驗結果,通過機加工藝方案可知,這部分方案里面的全部試樣均在相同臺車床上讓某一人進行加工,選用相同的車刀和冷卻液-無氯水溶液及施工工序,而且車床轉速 也是基本相同的,也就是粗車每分鐘400r、半精車每分鐘500r、精車每分鐘700r。各種方案只在加工工序和進刀量上有所差別,并且試樣切取為棒材一樣的方向和位置,故而試樣拉伸數據差異性只能通過機加工藝進行明晰。

在此方案中,倘若只基于拉伸性能來看,這些方案塑性指標為斷面、延伸均處于相同水平上,但是前三種方案強度屈服大體一致,最后一種機加工藝方案強度屈服減少了很多。故 在生產檢驗過程中,除了不使用最后一種方案以外,其他方案均可用在平時的檢驗工作中。就試驗結果穩定性而言,第二種方案的數據偏差指標標準方差比第一、第三、第四種都小,如此看來,第二種方案穩定性最佳。

主要是因為該種機加工藝方案試樣表面比較粗糙,加工時對試樣產生的損害最小,試驗數據可以充分體現出產品性能。眾所周知,在加工環節中,因為車刀進刀量、轉速等的影響,試樣均會出現不同程度的碰撞,必然會導致試樣發生變形,在試樣表面出現硬化層。變形會讓試樣內部產生不良問題,導致試樣拉伸性能減弱,但加工導致的硬化層又會增加試樣強度,由此看來這部分影響因素是各種各樣的,即便選擇了相同的工藝,但是對拉伸試驗性能的影響也是不同的。第二種方案因為在半精車以后還進行了精加工,進刀量為0.005~0.013mm,對試樣導致的碰撞和擠壓與別的方案相比最小,對試樣基本沒有損害,表面比較粗糙,故而拉伸性能十分穩定。

而第四種方案因為在半精車以后使用了精車,選用了0.15~0.1mm的進刀量,也會碰撞和擠壓試樣,與此同時試樣表面也很粗糙,故而拉伸性能不集中。其他方案處于第二種和第四種方案之間,因此分散性一般。用相同的原理也可以獲得相應的試驗結果。

因此,在涉及精度要求比較嚴格的試驗、對比、共同試驗等情況時,需要使用第二種方案。

(二)速度影響TC4性能

根據試驗可以發現,伴隨著拉伸速度不斷提升,產品抗拉、屈服強度等性能均在提高,但是延伸率在降低,不過總體情況而言,其塑性性能基本上沒有變化。

拉伸速率改變就是當試樣屈服前后拉伸速率有所差別的時候,在屈服以前拉伸速率為每分鐘0.1mm,之后增加到每分鐘1mm、5mm、10mm時,該抗拉強度就在持續提高,斷面收縮率同樣如此,但是延伸率在持續降低。由這一分析可以發現,在屈服前后拉伸速率發生改變,但抗拉能力、斷面收縮等基本沒有太大的改變。

四、TC4合金質量控制措施

(一)控制含氧量

伴隨著含氧量的持續增長,TC4合金抗拉強度會不斷提升,但是拉伸塑性和斷裂韌度會快速減弱。含氧量過高會導致焊接性能變差,所以,需要嚴格控制TC4合金含氧量,要在確 保強度水平的前提下,把含氧量控制在較低范圍內。尤其是在低溫環境下工作的容器,需要選取W≤0.13%的合金材料。

(二)防接觸腐蝕

TC4合金零件在和鋁合金、結構鋼零件接觸的過程中,尤其是存在于腐蝕介質中的情況下,鋁合金與結構鋼零件因為電極電位交互,如果作為接觸偶的陽極,會被腐蝕。所以,應 當在TC4合金零件和鋁合金、結構鋼之間,選用加墊或接觸腐蝕膠布等防護對策。

五、結語

由以上所述,可以了解到機加工藝與測試條件對TC4合金室溫拉伸性能的影響比較大,這是因為車削加工進刀量、轉速、粗糙程度有所不同,進刀量越小、轉速越低、試樣越粗糙,TC4合金拉伸性能與數據分散性就會更好,反之亦然。此次研究其實并不完整,還存在諸多缺陷和不足,故而仍需相關研究人員持續探索與發掘,從而確保TC4合金質量。

參考文獻

[1]朱言言,李沖,劉玉婷,等.復合制造TC4鈦合金組織與拉伸性能[J].航空制造技術,2021,64(17):14-20.

[2]陳劍虹,肖樂,陳永慶,等.熱等靜壓保溫溫度對TC4合金組織及拉伸性能的影響[J].蘭州理工大學學報,2021,47(01):1-4.

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