电磁能时效对TC4钛合金组织性能影响研究

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TC4钛合金属于Ti-Al-V系、α+β型中强钛合金,由于其优越的比强度、良好的塑性及耐腐蚀性而被广泛应用到航空航天工业以及一切轻质受力构件中。TC4钛合金由于存在时效α相,导致其沉淀强化为TC4钛合金的最主要、最典型的强化机制之一,其关键是在时效处理后形成高密度纳米尺寸析出物(时效α相),这会阻碍位错的定向移动,形成沉淀强化。关于TC4钛合金析出行为的研究大多数都集中在热处理的过程上,所以对于钛合金的析出行为与其他领域的影响需要引起我们的关注。目前,电磁冶金作为新兴技术开始受到人们的关注,基于磁场能够磁化顺磁性金属,并且可以通过电磁能影响其吉布斯自由能之差的特性,作者在钛合金时效过程中引入脉冲磁场,探索脉冲磁场提供的电磁能对TC4钛合金时效过程中组织性能的影响,并对其进行了机理分析。本文以某厂TC4钛合金轧制板为材料,在TC4时效阶段中施加脉冲磁场。通过ANSYS模拟确定磁场能够渗透进试样中心,探究当电磁能介入后对次生α相析出过程的影响。在确定电磁能介入会促进析出后,通过改变磁场参数(频率、占空比),来探究不同磁场变化率(d B/dt)对时效α相析出的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)观察TC4钛合金的初生相组织,并且观察次生α相的体积分数和尺寸;采用透射电子显微镜(TEM)来确定析出相的晶体结构;采用WDW-50型电子万能试验机进行拉伸试验,对电磁能时效后的试样进行拉伸实验,最后对抗拉强度、伸长率以及断口进行测试并分析。研究结果表明:电磁能时效可以促进TC4钛合金的析出行为。电磁能时效在保证力学性能的前提下,降低了时效所需的时间。电磁能时效2h相较于未施加磁场4h塑性提高了22.67%,抗拉强度基本一致。随后的实验表明,脉冲磁场的磁场变化率(d B/dt)对电磁能时效的影响也十分明显:无论是改变占空比和频率,时效进程都会随着d B/dt的增加而加速,使抗拉强度和伸长率不断增加。最后确定最优的参数为:峰值电流I为100A,磁场频率f为50Hz,磁场占空比D为20%。此时抗拉强度为1104.11MPa,伸长率为11.01%。分析认为,脉冲磁场通过电磁能促进了TC4在时效过程中次生相的析出及长大,是由于降低临界形核功和促进原子扩散的协同效应。综上,电磁能在时效过程中可以促进次生相的析出,减少了时效时间。
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