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报告人：李永亮
导师：林建国教授
专业：材料科学与工程
主要内容
一.选题背景
二.研究内容
三.已完成工作
四.下一步工作
五.致谢
室温-花苞加热-绽放冷至室温-花苞再次加热-绽放用形状记忆合金制成的花苞受温度影响后的变化情况引例：
一. 选题背景
拥有“大脑”的合金
Yes, I can also
remember
对温度变化做出反应
——微观组织相变
对外界环境刺激做出
反应——神经元[1] 金万军. 生物医用Ti-Ta 基合金的形状记忆效应和力学性能的研究[D]. 厦门：厦门大学, 2009
[2] 徐祖耀. 形状记忆材料[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2000
形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)特点：1、形状记忆效果（Shape Memory Effect ，简称SME ）：具有热弹性或应力诱导马氏体相变特征的材料在进行一定限度的变形后，经随后的加热到一定温度时，材料能完全、部分恢复到变形前的形状和体积的现象。
2、超弹性（Superelasticity ，简称SE ）：材料在外力作用下产生远超过弹性极限应变量的应变，而且卸载时应变可恢复到原来状态的现象。
本质：应用范围：航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业和
日常生活等多个领域。
β奥氏体
α马氏体降温/应变
升温
1.1 SMA医学应用和发展趋势1. 形状记
忆效应
SME
(a)预压缩(b)受热扩张后(c)植入腔道内效果
2. 超(伪)
弹性SE
应变诱导马氏体相变产生的超弹性行为使合金具有比普通刚性材料更
低的弹性模量！特别是钛合金具有远低于不锈钢的弹性模量。
1.1 SMA医学应用和发展趋势
神奇的SME效果和优异的SE行为使钛合金作为仿生材料在医学应用中发挥了巨大作用——仿生材料制成的人体替换组织不依赖于器官的活体
国策
“十二五”重大
科技专项——
重点加强生物医用
钛合金工程材料的
研究开发和产业化
发展。
1.1 SMA 医学应用和发展趋势
国计民生人民健康科技健康
人口增长及老龄化加速带来的心脑血
管疾病和骨科疾病剧增；
医疗水平的提高对新仿生材料提出更高
的要求。
促进
要求
1.2 应用中出现的问题
由仿生材料应用导致的金属污染和功能失效时刻危害着患者的生命健康。突出问题有两个：1. 植入合金释放对人体细胞有毒离子；2. “应力屏蔽”导致仿生材料植入失效。
[1] 任伊宾, 杨柯, 梁勇. 医用金属材料中的镍危害[J]. 生物医学工程学杂志, 2005,22(5): 1067-1069.
影响脑细胞功能，导致记忆力下降，思维能力迟钝。据研究老年痴呆症患者脑中铝含量为正常人近5倍。AL
Ni
V 临床观察证实应用比较广泛的Ti 6Al 4V 、Ti-Ni 合金植入人体酸性环境后会释放出对细胞具有严重危害的Al 、Ni 、V 阳离子，直接危害患者生命健康。
使心、脑、肺、肝和肾功能衰退；使核糖核酸或脱氧核糖核酸复制失真，引起突变，从而增加癌症发病率。可引起呼吸系统、神经系统、肠胃系统、
造血系统的损害；降低人体的抵抗外界压
力、毒素及致癌物的能力；甚至致死。
1.2 应用中出现的问题
1. 合金释放有毒离子毒害人体细胞
1.2
应用中出现的问题
弹性模量
差异受力传递不均匀植入失效生物排异反应可以用药物控制；物理排异反应无法用药物控制！
2. “应力屏蔽”现象导致的植入失效
1.3 国内外SMA
研究现状
Ti13Nb13Zr
Ti35Nb7Zr5Ta
Ti12Mo6Zr2Fe
Ti15Nb、
Ti35.3Nb5.1Ta7.1Zr
Ti29Nb13Ta4.6Zr
Ti30Nb10Ta5Zr
Ti35Nb10Ta5Zr
Ti-Ta
Ti55Ta9Zr（厦大）
Ti12.5Zr2.5Nb2.5Ta（西北
有色金属研究院）
Ti-Co-Ta(中南)
Ti-Zr(北航)
欧美中国
日本
1. 向Ti中添加Ta、Mo、Nb、Zr等替代Al、Ni、V等对人体有毒的合金元素，通过调整合金元素配比使合金材料具有更佳的SME和SE。
1.3 国内外SMA的研究现状
2. 优化组织结构，降低合金固有弹性模量；提高亚稳
态β相含量，增加应变诱导马氏体相变的敏感性，提高SE，避免仿生组织植入人体时因“应力屏蔽”导致失效。
[1] Y L Zhou et al., Materials Science and Enginieering A. 2004,371: 283-290
二. 本课题研究内容
目的：提高生物医用钛合金的可靠性
成分
通过向金属Ti
中添加具有β
相稳定性和耐
腐蚀性的Zr、
Mo等对人体
无毒合金元素；
应用CR和
ARB合金加工
工艺，细化晶
粒度，优化组
织结构；
组织
以期提高SMA
生物相容性，
提高SE的。最
终实现提高生
物医用钛合金
可靠性的目的。
性能
CR:Cold Rolling; ARB:Accumulative roll bonding
研究方法和创新点1.Ti-Zr 系合金是SMA 研究的新领域，具有潜在的SME 和SE 和广阔
的应用前景；
2.Accumulative Roll Bonding(ARB)与CR(Cold Rolling)相比可
以进一步细化晶粒，极大地改善合金的机械系能。
合金冶炼冷轧成型ARB 轧制工艺流程
性能表征
加工工艺创新
成分创新
三. 已完成工作
3.1合金成分配比及熔炼
以提高应变诱导马氏体相变的敏感性为目的，以合金平均价电子常数e/a为参考，合金元素的配比基于d电子轨道理论，并对其铸态合金相组成做出了预测：
合金配比参数及相组成预测
元素/at.%Ti/g Zr/g Mo/g Bo Md e/a预测相Ti70Zr3016.5128713.487130 2.8792.5934αTi69Zr30Mo116.1494513.381440.469112.8822.588 4.02αTi68Zr30Mo215.7916713.27740.930932.8842.583 4.04αTi67Zr30Mo315.4394113.17498 1.385612.8872.579 4.06αTi66Zr30Mo415.0925513.07412 1.833332.8902.574 4.08αTi65Zr30Mo514.750412.97479 2.274272.8902.569 4.10α
3.2合金成分配比及熔炼
Ar保护非自耗熔炉
Ti 70Zr 30，X200倍Ti 69Zr 30Mo 1，X200倍Ti 68Zr 30Mo 2，X200倍
Ti 67Zr 30Mo 3，X200倍Ti 66Zr 30Mo 4，X200倍Ti 65Zr 30Mo 5，X200倍
3.3 金相组织随成分的变化
α
αα
βββ
β
3.4 合金相组成的XRD测定
Ti-Zr-Mo系合金相组成随Mo含量的变化
3.5 铸态合金维氏硬度
Ti-Zr-Mo 系合金硬度随Mo 含量变化αα
α+ββ
β
β+ω结论：1. Mo 含量小于1%时主要起固溶强化作用；随着Mo 含量增加，合金由单一α相转变为β相，证明Mo 对钛合金β相具有强烈的稳定作用。
2. Ti 68Zr 30Mo 2(at.%)维氏硬度突降和压痕周围应变诱导马氏体孪晶的出现证明亚稳态β相对应变应变诱导马氏体的敏感性更高，约2%的Mo 对合金的SME 和SE 影响效果明显，是下一步研究计划的重点
Ti 67Zr 30Mo 3Ti 66Zr 30Mo 4Ti 65Zr 30Mo 5
Ti 70Zr 30Ti 69Zr 30Mo 1Ti 68Zr 30Mo 2
Ti-6Al-4V(TC4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。 表3-2 钛合金Ti-6Al-4V 成分 钛合金Ti6Al-4V 合金 碳（最大） 0.10％ 铝 5.50至6.75％ 氮 0.05％ 氧气（最大） 0.020％ 其他，合计（最大） 0.40％ *其他，每个（最大）= 0.1％ 钛 平衡 钒 3.50至4.50％ 铁（最大） 0.40％ 氢（最大） 0.015％ 比重 0.160 弹性模量（E ）的 15.2 x 10 3 ksi? 贝塔Transus 1800 to 1850 °F? 液相线温度 2976 to 3046 °F 固相线温度 2900 to 2940 ° F 电阻率 -418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft? 73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft? 986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft? 典型的室温强度计算退火钛6Al-4V 的： 极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi ） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi ） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi ） Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1. 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa ，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa ，硬度HB195。 钛的应用 元素 Al V Fe O Si C N H 其他 Ti 成分 5.5- 6.8 3.5- 4.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5 余量
精心整理 钛合金特性及加工方法 钛合金以其强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料，但由于其切削加工性差，长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展，近年来，钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。我公司某新型航空发动机的钛合金零件约占零件总数的11％。本文是在该新机试制过程中积累的对钛合金材料切削特性以及在不同加工方法下表现出的具体特点的认识及所应采取工艺措施的经验总结。 1钛合金的切削加工性及普遍原则 钛合金按金属组织分为a 相、b 相、a+b 相，分别以TA ，TB ，TC 表示其牌号和类型。我公司某新型发动 600 损严重。 要保持刀刃锋利，以保证排屑流畅，避免粘屑崩刃。 切削速度宜低，以免切削温度过高；进给量适中，过大易烧刀，过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快；切削深度可较大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度。 加工时须加冷却液充分冷却。 切削钛合金时吃刀抗力较大，故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形，所以切削夹紧力不能大，特别是在某些精加工工序时，必要时可使用一定的辅助支承。 以上是钛合金加工时需考虑的普遍原则，事实上，用不同的加工方法时及在不同的条件下存在着不同的矛盾突出点和解决问题的侧重点。 2钛合金切削加工的工艺措施
车削 钛合金车削易获得较好的表面粗糙度，加工硬化不严重，但切削温度高，刀具磨损快。针对这些特点，主要在刀具、切削参数方面采取以下措施： 刀具材料：根据工厂现有条件选用YG6，YG8，YG10HT。 刀具几何参数：合适的刀具前后角、刀尖磨圆。 较低的切削速度。 适中的进给量。 较深的切削深度。 选用的具体参数见表1。 表1车削钛合金参数表工序车刀前角go ° ° mm m/min mm mm/r 粗车56 精车56 铣削 了3 此外，为使钛合金顺利铣削，还应注意以下几点： 相对于通用标准铣刀，前角应减小，后角应加大。 铣削速度宜低。 尽量采用尖齿铣刀，避免使用铲齿铣刀。 刀尖应圆滑转接。 大量使用切削液。 为提高生产效率，可适当增加铣削深度与宽度，铣削深度一般粗加工为 1.5～3.0mm，精加工为0.2～0.5mm。 磨削 磨削钛合金零件常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。其原因是钛合金的导热性差，使磨削区产生高温，从而使钛合金与磨料发生粘结、扩散以及强烈的化学反应。粘屑和砂轮堵塞导致磨削比显著
原题：让“近净成形”结构件飞上蓝天--北航教授王华明 王华明，北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任、材料加工工程学科责任教授、“长江学者特聘教授”。开辟“快速凝固激光材料制备与成形”研究新领域，建成先进的“激光材料加工制造技术实验室”，在先进材料快速凝固激光制备加工与成形制造领域取得多项原创性成果并在航空发动机及飞机上得到应用。2000年来主持“国家自然科学基金重点项目”、“国家863计划课题”“教育部跨世纪优秀人才计划基金”、“总装武器装重点基金”、“国防基础科研重点项目”等科研项目10余项，发表论文被SCI及EI收录137篇次、授权与申请发明专利7项、获得“北京市教学成果一等奖”及“国家教学成果二等奖”。2013年入选国家“万人计划”第一批科技创新领军人才。 当前，“绿色浪潮”席卷全球，推行绿色制造技术，实现制造过程的环保、绿色化已是题中之义。而“增材制造”在这一浪潮的影响下受到日益广泛的关注。北京航空航天大学的王华明教授及其带领的科研团队在大型钛合金结构件激光直接制造技术领域取得令人瞩目的成绩，并且在航空航天装备应用中取得了重要突破。 从“减法”到“加法” 实现质的飞跃 高性能金属构件激光成形技术是以合金粉末为原料，通过激光熔化逐层堆积（生长），从零件数模一步完成高性能大型复杂构件的“近净成形”。这一技术1992年在美国首先提出并迅速发展。由于高性能金属构件激光成形技术对大型钛合金高性能结构件的短周期、低成本成形制造具有突出优势，在航空航天等装备研制和生产中具有广阔的应用前景，受到政府和业界的高度关注。 在王华明教授看来，从传统的大型钛合金结构件制造方法，如整体锻造、切削技术，到这种新型的激光直接制造技术，实现了加工技术由“减法”到“加法”的质的飞跃。采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件，是一个做“减法”的过程。零件的加工除去量非常大。例如，美国的F-22飞机中尺寸最大的Ti6Al4V 钛合金整体加强框，所需毛坯模锻件重达 2796千克，而实际成形零件重量不足144千克，材料的利用率不到4. 90%，这势必造成大量的原材料损耗。与此同时，在铸造毛坯模锻件的过程中会消耗大量的能源，也降低了加工制造的效率。
金属材料激光增材制造技术 孙峰、李广生 金属材料增材制造技术是通过对CAD模型进行离散处理，以金属粉末、颗粒、金属丝材等为原材料，采用高功率激光束熔化/快速凝固逐层堆积生长，直接从零件数模完成高性能零件的近终成形制造。 金属材料增材制造技术，可分为以送粉为技术特征的激光沉积制造（Laser Deposition Melting，LDM）技术和以粉床铺粉为技术特征的选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术。 LDM技术是快速成形技术和激光熔覆技术的有机结合，是以金属粉末为原材料，以高能束的激光作为热源，根据成形零件CAD模型分层切片信息规划的扫描路径，将送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，从而实现整个金属零件的直接制造。 LDM系统主要包括：激光器及光路系统、水冷机及冷却系统、数控机床系统、送粉器及送粉系统、惰性气体保护系统、激光熔化沉积腔及工艺监控系统等。 图1LDM激光沉积制造技术 LDM技术集成了快速成形技术和激光熔覆技术的特点，具有以下优点： （1）无需大型设备与模具，零件近净成形，材料利用率高；工艺流程、制造周期短，制造成本低； （2）零件无宏观偏析，组织细小、致密，力学性能达到锻件水平； （3）成形尺寸不受限制，可实现大尺寸零件的制造； （4）激光束能量密度高，可实现难熔、难加工材料的近净成形； （5）可对失效和受损零件实现快速修复，并可实现定向组织的修复与制造。 主要缺点： （1）制造成本较高；
（2）制造效率较低； （3）制造精度较差，悬臂结构需要添加相应的支撑结构。 SLM技术是以快速原型制造技术为基本原理发展起来的先进激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，实现三维实体金属零件制造。 SLM系统主要由激光器及光路系统、气体净化系统、铺粉系统、控制系统4部分组成。 图2SLM激光选区熔化制造技术 SLM技术具有以下优点： （1）原材料范围广，包括不锈钢、高温合金、钛合金、钴-铬合金及难熔金属等； （2）成形零件精度高，表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求； （3）复杂零件制造工艺简单，周期短，材料利用率高； （4）成形零件的力学性能良好，一般力学性能优于铸件，与锻件相当； （5）适合多孔零件的制造，实现零件的轻量化的需求。 主要缺点： （1）层厚和光斑直径很小，导致成形效率很低；
纯钛热加工性能参数 1. 来料牌号及化学成分 注：合金牌号对应标准GB/T3620.1-2007 2.纯钛的物理性能 熔点1668±4℃ 密度ρ＝4.5g/cm3 弹性模量E＝1.17×105MPa、G＝0.44×105Mpa（约为钢的54%） 导热系数λ＝19.3Wm-1K-1 热膨胀系数10.2×10-6/℃（室温-700℃） 泊松比υ＝0.33 3.常温下力学性能 4. 加热规范 板坯在热轧前需要在加热炉中均匀加热，为防止氧扩散，应限制加热温度和时间，因此，从成材率、表面质量考虑，该扩散层的厚度越薄越好，为此，热轧
带卷加热温度的设定应在保证稳定轧制并可卷制成带的情况下，尽可能低。通常工业纯钛在加热炉内最好加热至800~920℃。 纯钛料轧制时的加热制度和终轧温度 5. 轧制过程控制 热轧分为粗轧和精轧。粗轧通常使用可逆式轧机，从厚板坯（80~300mm）的轧制到供精轧机轧制的板材厚度（25~40mm），需经5~7个道次的轧制。纯钛的粗轧终轧温度为790℃。精轧工序在6~7台串列式轧机进行，可将25~40mm的板坯连续加工成钛带材（厚3~6mm），轧制速度可达300~600m/min。 轧制过程温度控制参数为：钛板坯在加热炉中加热到800~920℃，在910℃出炉；粗轧终轧温度为790℃，连续热轧时钛坯温度控制在650~800℃范围，终轧温度为670℃；在470~490℃温度范围进行卷取。轧制后立即将钛带在输出辊道上用水冷或空冷的方法，以大于5~10℃/s的速度冷却，在低于500℃时卷取，以保证带卷材质均匀。 其它工艺要点有：严格控制初轧及连轧时各机架压下量和各机架上带材的温度；避免辊道对带材表面划伤；每轧3~4块清理一下辊道上的金属沾污；热轧带卷初始阶段，需要建立一个稳定的、大于4MPa/mm2的后张力，防止因带材卷乱或松卷引起划伤。 轧制温度对纯钛的单位压力的影响
. T i -6A l -4V (T C 4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。 表3-2 钛合金Ti-6Al-4V 成分 钛合金 Ti6Al-4V 合金 碳（最大） 0.10％ 铝 5.50至6.75％ 氮 0.05％ 氧气（最大） 0.020％ 其他，合计（最大） 0.40％ *其他，每个（最大）= 0.1％ 钛 平衡 钒 3.50至4.50％ 铁（最大） 0.40％ 氢（最大） 0.015％ 比重 0.160 弹性模量（E ）的 15.2 x 10 3 ksi? 贝塔Transus 1800 to 1850 °F? 液相线温度 2976 to 3046 °F 固相线温度 2900 to 2940 ° F 电阻率 -418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft? 73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft? 986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft? 典型的室温强度计算退火钛6Al-4V 的： 极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi ） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi ） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi ） Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1. 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa ，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。 钛的应用 应用领域 材料的使用特性 应用部位 元素 Al V Fe O Si C N H 其他 Ti 成分 5.5- 6.8 3.5- 4.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5 余量
钛及钛合金的特性、用途 纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K，比钢高近500K。 钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。 钛合金的用途：钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。 钛合金的性能：钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1800℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。 (1)比强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。 (2)热强度高使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。 (3)抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。 (4)低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
2018年2月第13卷第1期 失效分析与预防 February ,2018 Vol. 13,No. 1增材制造大型钛合金横梁缺陷分析 高翔宇u’3’4,高祥熙u’4,姜涛1’2’3’4,何玉怀口’3’4 (1.中国航发北京航空材料研究院，北京100095; 2.航空工业失效分析中心，北京100095; 3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095; 4.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京100095) [摘要]增材制造大型TG4钛合金横梁成形完成后进行缺陷检查，通过超声检测对梁缺陷的尺寸和位置进行检测，然后通 过线切割对相应位置进行取样，磨制拋光后利用体视显微镜、金相显微镜、扫描电镜和能谱检测仪的手段，分别对缺陷类型 及形貌进行分析统计，对缺陷附近组织、缺陷内部形貌进行观察分析，对夹杂物成分进行能谱检查，分析得出缺陷类型和形 成原因。结果表明:TG4钛合金横梁的孔洞缺陷为熔合不良造成，与成形过程中局部出现搭接率和和Z轴单层行程A Z匹配 不良的情况有关;夹杂缺陷为氧化物夹杂，是由于熔覆环境受到一定程度的氧气污染，合金熔滴表面反应生成氧化皮夹杂嵌 人基体，氧气的存在同时影响熔合不良孔洞附近组织，使其出现a相增多和富氧a层的现象。 [关键词]钛合金；增材制造；电子束熔融沉积；熔合不良；夹杂；富氧a层 [中图分类号]TG146.23 [文献标志码]A doi：10. 3969/j. issn. 1673-6214. 2018.01.008 [文章编号]1673-6214(2018)01-0043-06 Defects Analysis of Large Additive Manufacturing Beam of Titanium Alloy GAOXiang-yu1，2,3,4’GAOXiang-xi1，3,4’JIANGTao1，2,3,4’HEYu-huai1，2,3,4 (1. AECC Beijing Institute of A eronautical Materials’Beijing 100095, China； 2. Failure Analysis Center of A viation Industry Corporation of China’Beijing 100095’China； 3. Beijing Key Laboratory of A eronautical Materials Testing and Evaluation’Beijing 100095’China； 4. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation’Beijing 100095’China) Abstract：After forming’TC4 Titanium alloy additive manufacturing beams were inspected for defects. Defect size and position were tested by ultrasonic inspection and samples were cut down by WEDM. Afterwards, samples were prepared for metallographic analysis. The types and morphology of defects were tested and analyzed by stereoscopy, OM, SEM and EDS analysis. Besides’the micro-morphology near defects was observed and the chemical composition of inclusions was tested by EDS. The results show that the hole defects of titanium alloy beams resulted from poor fusion,which was caused by the mismatch between overlap ratio and Z increment. The inclusion defects are oxide inclusions. The forming environment was polluted by oxygen ’so the surface of high temperature molten drop reacted with oxygen’leading to oxide skins’which then were embedded in the beam body. Besides, the micro-structure near poor fusion areas was also influenced by oxygen,where a phase increased and oxygen-rich a layers formed. Key words：titanium alloy；additive manufacturing;EBFF；poor fusion；inclusion；oxygen-rich a layer 〇引言 钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高 温、可焊接、使用温度范围宽（-269?600 °C)等 优异性能，在航空领域得到广泛的应用。钛合金 在航空发动机上主要用于压气机叶片、叶盘等，在 飞机结构上主要用于飞机襟翼滑轧、中翼盒形梁、起落架梁、承力隔框等受力结构件中[1]。然而，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，抗磨性差，在热加工中又非常容易吸收H、O、N和C等杂 质，生产工艺复杂,严重制约其发展空间[2]。自从上世纪90年代以来，增材制造成形技术的出现 和迅速发展力图解决这一问题。增材制造技术以 快速原型技术和高能量热源熔覆技术为基础，利 用“离散/堆积”的制造思想，同时将仅在零件表 [收稿日期]2017年12月25日[修订日期]2018年1月19日 [作者简介]高翔宇（990年-)男，硕士，主要从事金属失效分析与损伤评价等方面的研究。
合金磨削刀具-钛合金的切削加工 首页>行业信息>行业信息> 合金磨削刀具-钛合金的切削加工 摘要：文件地点传真-500kV世博输变电工程设备采购招标混凝土机械设备-我国混凝土泵车的研发趋势器 材行业企业-2008年是纺织机械发展预测除尘器粉尘气体-现代锅炉除尘设备简介控制器技术空调-我国将 制定变频控制器标准终结市场混乱新产品功能水平-中联环卫机械公司五款新产品通过验收波兰装配厂-扩 大欧洲市场份额徐工波兰装配厂落成叉车鸟巢开幕式-龙工叉车为奥运鸟巢极速“变装”出力(图)刀具加工 刀片-Kennametal公司推出KB9640新刀具工程机械企业-工程机械租赁业发展前景广阔1．钛合金可分为哪几类?钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以 上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，合金,磨削,刀具,丝锥,切屑,砂轮,磨损,铰刀,硬质合金,温度, 1．钛合金可分为哪几类? 钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类： (1) α钛合金：它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。 (2) β钛合金：它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。 (3) α+β钛合金：它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。 三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+p钛合金次之，β钛合 金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。 2．钛合金有哪些性能和用途？ 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1800℃，导热系数 λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。 (1)比强度高：钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料， 见表7-1，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件 及起落架等都使用钛合金。
钛及钛合金力学性能，物理性能，以及相关介绍等 一。以下是个人对外六角螺栓和内六角螺栓使用情况的一点小总结，请参考 俺的个人观点： 1。内六角的螺栓,适用于结构空间小,或者要求上平面是平面的情况下。 结构空间小，活动扳手占空间大,所以不能用，只能使用内六角螺栓，方便装卸。 产品要求安装后上平面是平面的情况下，主要适用于精密仪器/设备，一些设备要求安装后平面度的，或者要求整体产品外观良好，或者要求产品安装后上平面必须平，以此来避免挡碍的情况下需要使用内六角螺栓。 2。其他情况下，均建议用外六角螺栓。 3。从成本上考虑，用外六角螺栓，从外观效果上考虑，用内六角螺栓。 4。我们单位一般情况下，将内六角螺栓翻译为内六角螺钉，呵呵，请大家参考，也就是说一般意义上的内六角螺栓=内六角螺钉。当然，德标DIN和ISO的标准正规些。 现在市场上的该类紧固件都在努力向DIN和ISO标准上靠拢。 二。钛及钛合金 钛及钛合金是导弹上重要结构材料之一。钛的密度为.507g/cm3,介于铝、铁之间。钛的熔点为1668℃比铁的熔点还高，能在高温下工作，耐热性能远超过铝。钛在含氧环境中易形成一层薄而坚固的氧化物薄膜。这层膜和基体结合牢固致密，破坏后还能自愈合，从而起到保护作用。 a. 型钛合金 这类合金不能通过热处理强化，一般在退火状态下应用。它的特点是具有良好的耐热性和组织稳定性，低温性能优于其它类型钛合金。缺点是对变形抗力大，常温下强度不够高。这类合金的牌号有TA1，…，TA7，TA8，其中TA1～TA3为工业纯钛；TA4，TA5，TA6 属Ti-Al二元合金；TA4用作焊丝；TA5、TA6可用于一般结构件或耐蚀结构件；TA7是常用的典型型合金。 b. 型钛合金
钛合金材料 《新型工程材料应用》课程论文
摘要：随着新技术革命浪潮的推进，继合金钢和金属铝之后，新崛起的第三金属——钛，越来越多地渗透到工业、技术和科学的各个领域，它的魅力向人类展示了它的美好前景。本文介绍了钛合金的合金化原理、性能特性，综述近年来国内外钛合金材料的发展应用和研发状况，对钛合金材料的发展前景进行了展望。 关键词：钛合金、合金化、特性、发展 概述： 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。而钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。 合金化原理： 钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：（1）稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。（2）稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。应用了钛合金的产品前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。（3）对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015％以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。 TA是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。TB是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。TC是双相合金，具有良好的综合
在上个世纪，增材制造( Ad di ti ve M a nu fa ct ur in g，A M) 的 概念得到了显著的发展。依据美国试验材料学会(A me ric a n S o ci et y f or Te sti n g a nd Ma te ri als，A ST M) 的定义: 增材制造技术不同于传统的减法加工过程，是基于材料的增量制造，利用3D数据模型，将材料一层一层连接起来制造物体的过程。由于增材制造技术具有设计和制造一体化、加工精度高、制造周期短，产品物理化学性能优异等特点，美国《时代周刊》将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。 金属材料增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿和难 度的技术，是先进制造技术的重要发展方向。对于金属材料增材制造技术，按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。其中激光增材制造(L ase r A d di ti ve M an uf act u ri ng，LA M) 技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术，也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法。国内外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技术，本文在总结增材制造的发展历史基础上，重点介绍了激光增材制造的原理、激光选区熔化成形技术和直接沉积技术的发展现状，为激光增材制造在国内各个领域的应用提供支持。一、增材制造的发展历史 1983 年，美国科学家查尔斯·胡尔(Ch ar le s Hu ll) 发明光固化成形技术( st ere o l it ho gr ah y App e ar an ce，SL A) 并制造出全球首个增材制造部件。1986 年，查尔斯·胡尔获得了全球第一项增材制造专利，同年成立3D S ys t em s公司。1987 年，3D S y st em s 发布第一台商业化增材制造设备-快速成型机立体光刻机SL A-1，全球进入增材制造时代。1986年，美国的M i ch ae l F e yg in，首次提出了分层实体制造( L a mi na te d Ob je ct M a nu fa ct ur in g，LO M) 技术。1988年，美国S tr at asy s 公司首次提出熔融沉积成型技术( F us ed D epo s it io n M od el in g，F DM) 。1989 年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的De ck ar d 提出激光 选区烧结( Se le ct i ve L as er S in te r i ng，SL S) 。1995年， 德国Fr au-ho fe r 应用研究促进协会IL T 激光技术研究所的 D r.W il-he lm M ein e rs 等在金属粉末选择性烧结基础上提出激光选区熔化成形技术( S el ec ti ve L as e r M el ti ng，S LM) 。1998 年，美国Sa nd ia 国立实验室将选择性激光烧结工艺SL S 和激光溶覆工艺( La ser Cl ad di ng) 相结合提出激光工程化净成型(L a s e r E n g i n e e r e d N e t S h a p i n g，L E N S)。1990年至现在，增材制造技术实现了金属材料的成型，进入了直接增材制造阶段，相距出现了电子束选区熔化(E BSM)、电子束自由成形制造技术( El ec tr on B eam Fr ee- fo rm Fa br i ca ti on，EB F)、等离子增材制造技术(I on Fu s io n Fo r ma ti on，I F F) 电弧增材制造( Wi r e A r c A dd it iv e Ma nuf a ct ur e，WA AM)等一系列制造工艺。2013年，美国麻省理工大学研发了四维打印技术( Fo ur D i- m ens i on al
［综述·专论］ DOI ：10．3969/j．issn．1005－2895．2019．02．001 收稿日期：2018- 08-10；修回日期：2018-10-23基金项目：国家自然科学基金资助项目（051601110）；上海市“创新行动计划”基础研究领域项目（17JC1400600）；上海市“创新行动计划” 基础研究领域项目（17JC1400601）。第一作者简介：张世凯（1992），男，山东德州人，硕士，主要从事金属增材制造方面的研究工作。通信作者：马盼（1986），女，山东泰安人， 副教授，硕士生导师，博士，主要从事金属增材制造/金属非平衡凝固方面的研究工作。E-mail ：mapan@sues．edu．cn 增材制造钛合金微观组织及性能研究进展 张世凯1 ，马 盼 1，2* ，柯林达3，马永超4，赵健1，2，于治水1，2，杨尚磊 1，2 （1．上海工程技术大学材料工程学院，上海201620；2．上海市激光先进制造技术协同创新中心，上海201600； 3．上海航天精密机械研究所，上海201600；4．山推工程机械股份有限公司，山东济宁272073） 摘 要：随着增材制造技术的不断进步，增材制造能够快速成型精密复杂的结构部件。为了使增材制造Ti6Al4V 合金能 够更好地被应用，国内外学者研究了基板预热、激光功率、扫描速率以及后续的处理等多种因素对于增材制造Ti6Al4V 合金微观组织和力学性能的影响，发现选择适当的工艺参数及后处理能够提高其综合力学性能。目前，增材制造钛合金在微观结构上还存在一定的缺陷，结构件内的微小气孔以及未融化颗粒等因素阻碍着其力学性能的提高。未来在解决组织缺陷的同时，增材制造钛合金构件的应用也将是今后研究工作方向之一。关 键 词：增材制造；Ti6Al4V 合金；基板预热；激光功率；扫描速率；微小气孔；未融化颗粒 中图分类号：TF124 文献标志码：A 文章编号：1005－2895（2019）02－0001－05 Microstructure and Properties of Ti6Al4V Alloy Fabricated with Additive Manufacturing ZHANG Shikai 1，MA Pan 1，2* ，KE Linda 3，MA Yongchao 4， ZHAO Jian 1，2，YU Zhishui 1，2，YANG Shanglei 1， 2 （1．School of Materials Engineering ，Shanghai University of Engineering Science ，Shanghai 201620，China ；2．Shanghai Collaborative Innovation Center of Laser Advanced Manufacturing Technology ，Shanghai 201600，China ； 3．Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute ，Shanghai 201620，China ；4．Shantui Construction Machinery Co．，Ltd．，Jining ，Shandong 272073，China ） Abstract ：The continuous development of additive manufacturing technology enables rapid prototyping of complex structural components．To make the additive manufacturing Ti6Al4V alloy better applied ，the effects of substrate preheating ，laser power ，scanning rate and subsequent processing on the microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy were studied by domestic and foreign scholars．It was found that the selection of appropriate process parameters and post-treatment can improve the comprehensive mechanical properties．At present ，the microstructure of titanium alloy has certain defects ，the micropores and unmelted particles in the components hinder the improvement of mechanical properties．In the future ，while solving microstructure defects ，the application of additive manufacturing titanium alloys components will be one of the future research directions． Keywords ：additive manufacturing ；Ti6Al4V alloy ；substrate preheating ；laser power ；scanning rate ；micropores ；unmelted particles 1钛合金概述 钛合金是以钛为基体加入其他合金元素而构成的 有色合金， 钛合金中常用的合金元素有铝、锡、钒、钼、铬、铁、硅及铜等。钛合金因密度小、比断裂韧性高、耐 热性好、 疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、韧性及抗腐蚀能力强被广泛关注并获得大量应用 ［1］ 。其中Ti6Al4V 第37卷第2期2019年4月轻工机械 Light Industry Machinery Vol．37No．2Apr．2019
钛合金的切削加工及刀具设计 核心提示：分析了钛合金的相对可切削性,阐述了钛合金切削加工条件;以钛合金车加工和孔加工为例介绍了钛合金加工刀具的设计. 1.引言 钛及钛合金不仅是制造飞机、导弹、火箭等航天器的重要结构材料，而且在机械工程、海洋工程、生物工程及化学工程中的应用也日益广泛。如在阀门制造中，将不锈钢阀门与钛制阀门同时在酸性介质中使用，钛制阀门具有更好的使用寿命。 在钛中加入合金元素形成钛合金，其强度显着提高,σb可从350～700MPa提高到1200 MPa，因此在工业上应用钛合金的意义更具重要性。通常按使用状态下的组织将钛合金分为α钛合金（以TA表示）、β钛合金和（α+β）钛合金（以TC表示）三类，三种钛合金中最常用的是α钛合金和(α+β)钛合金。由于钛合金可切削性极差，因此给实际应用带来很多困难。笔者从钛合金的相对可切削性研究出发，根据多年生产经验提出较实用的刀具，供读者应用时参考。 2.钛合金可切削性的研究 若以45号钢的可切削性为100%，则钛合金的可切削性约为20～40%，其可切削性比不锈钢差，但比高温合金稍好。在钛合金中又按β型钛合金、α+β型钛合金、α型钛合金为序其可切削性逐步改善，而纯钛的可切削性最好。即在一般情况下，材料硬度愈高，加入合金元素越多，材料的可切削性越差。加工钛合金时，若材料硬度小于HB 300将会出现强烈粘刀现象，而硬度大于HB370时加工又极其困难，因此最好使钛合金材料的硬度在HB300～370之间。 2.1 钛合金切削机理的研究 （1）气体杂质的影响 各种气体杂质对于钛合金的可切削性有很大影响，其中最显着的是氧、氢和氮；钛合金的可切削性随着气体在钛合金中的含量增加而恶化。
《钛及钛合金牌号和化学成分》(2009/11/30 15:05) （引用地址：未提供） 目录：行业知识 浏览字体：大中小 《钛及钛合金牌号和化学成分》 目前，金属钛生产的工业方法是可劳尔法，产品为海绵钛。制取钛材传统的工艺是将海绵钛经熔铸成锭，再加工而成钛材。按此，从采矿到制成钛材的工艺过程的主要步骤为： 钛矿->采矿->选矿->太精矿->富集->富钛料->氯化->粗 TiCl4->精制->纯TiCl4->镁还原->海绵钛->熔铸->钛锭->加工->钛材或钛部件上述步骤中如果采矿得到的是金红石，则不必经过富集，可以直接进行氯化制取粗TiCI4。另外，熔铸作业应属冶金工艺，但有时也归入加工工艺。 上述工艺过程中的加工过程是指塑性加工和铸造而言。塑性加工方法又包括锻造、挤压、轧制、拉伸等。它可将钛锭加工成各种尺寸的饼材、环材、板材、管材、棒材、型材等制品，也可用铸造方法制成各种形状的零件、部件。
钛和钛合金塑性加工具有变形抗力大；常温塑性差、屈服极限和强度极限比值高、回弹大、对缺口敏感、变形过程易与模具粘结、加热时又易吸咐有害气体等特点，塑性加工较钢、铜困难。 故钛和钛合金的加工工艺必须考虑它们的这些特点。 钛采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能够大批量生产，但成材率低，加工过程中产生大量废屑残料。钛材生产的原则流程如图1—1。 针对钛塑性加工的上述缺点，近年来发展了钛的粉末冶金工艺。钛的粉末冶金流程与普通粉末冶金相同，只是烧结必须要在真空下进行。它适用乎生产大批量、小尺寸的零件，特别适用于生产复杂的零部件。这种方法几乎无须再经过加工处理，成材率高，既可充分利用钛废料作原料，又可以降低生产成本，但不能生产大尺寸的钛件。钛的粉末冶金工艺流程为:钛粉(或钛合金粉)->筛分->混合->压制成形->烧结->辅助加工->钛制品。