文摘

热锤锻Ti-6Al-4V合金的蠕变行为在不同锻造温度的高温服务性能有至关重要的影响。在这篇文章中,Ti-6Al-4V合金的高温力学性能和蠕变行为建立在不同锻造温度首次调查实验。然后,针对微裂隙和其他缺陷的关键效应在锻造部件的使用寿命,蠕变特性的技巧2毫米裂纹在有限元法的特征。结果表明,当Ti-6Al-4V合金锻造在1000°C,高温机械性能提高,稳态蠕变率和蠕变残余变形显著降低。此外,蠕变裂纹尖端的应变和蠕变速率下降明显在蠕变过程中,裂纹尖端区域的蠕变应变梯度也显著降低。这表明Ti-6Al-4V合金的蠕变变形可以由一个适当的锻造温度热锤锻过程和可能延迟裂纹扩展提高零部件的使用寿命。

1。介绍

Ti-6Al-4V合金涡轮叶片作为结构材料由于其强度高、耐蚀性,和良好的高温性能1,2]。钛合金的蠕变行为对涡轮叶片的寿命和至关重要的安全和信誉服务环境(高温和压力3]。近年来,实现超超临界机组的发展目标与高容量、高功率,寿命长,涡轮机的蒸汽温度和压力不断增加,而提出了严峻考验的涡轮叶片蠕变特性(4,5]。因此,钛合金的蠕变行为受到了许多研究人员的重视。德沃夏克et al。6)进行恒定负载对钛合金蠕变测试与不同的退火温度。发现钛准备在房间温度升高有超细颗粒微观结构,表现出一个蠕变强度高于钛准备在低温下。多根等。7]研究了显微组织对蠕变裂纹扩展行为的影响ti - 6242合金的锻造和热处理条件。结果表明,层状微结构的材料是比物质更耐蠕变变形与等轴组织。因此,钛合金的蠕变行为组件是强烈影响的准备过程。

前的预先存在的裂纹和其它缺陷可能存在钛合金组件投入服务。蠕变曝光时间的增加,材料内部的微裂隙或其他缺陷将进一步增长,直到失败的组件8,9]。锻造塑性成形过程,常见的生产方法Ti-6Al-4V合金刀片,适用于提高力学性能,可以大大消除内部缺陷(10]。并与水压机锻造、Ti-6Al-4V合金的综合力学性能由热锤锻锻造更优秀的由于高应变率导致细颗粒的形成(2,11,12]。卢et al。13- - - - - -15)表明,在炎热的锤锻锻造参数的变化可以显著影响Ti-6Al-4V合金的相变过程,在锻造温度的变化有更重要的影响相变,位错运动和晶界滑移状态在钛合金锻造变形。它可以澄清,在热塑料锤锻成形过程中,锻造温度是一个重要的参数影响锻造属性。

蠕变变形钛合金时感应组件受到长期在高温度和压力。蠕变变形积累达到临界值时,蠕变裂纹开始启动和传播,和蠕变断裂发生在严重的情况下16,17]。测试是有效和准确的裂缝在高温材料的蠕变行为使用标准的标本。然而,该方法耗时且非常昂贵。因此,有限元法被广泛用于在高温材料裂纹扩展进行调查。Zhang et al。18- - - - - -20.)确定蠕变损伤模型基于高温合金的材料特性,在服务组件的装载状态,研究了蠕变裂纹扩展行为的有限元方法。最终的物理实验验证,模拟数据与实验结果同意,这表明,数值方法可以用来模拟高温合金的蠕变裂纹扩展行为。

总之,钛合金的蠕变和蠕变裂纹扩展行为都进行了广泛的调查,并讨论了在过去的十年。然而,很少有研究关注于如何生产钛合金锻件的蠕变性质通过控制锻造工艺参数。在本文中,不同锻造温度对蠕变行为的影响研究Ti-6Al-4V合金锻件的设计热锤锻温度。裂纹尖端的蠕变特征参数进行了进一步的分析。它旨在了解锻造温度之间的关系和蠕变行为的钛合金热锤锻后,也提供了一个依据回溯的锻造工艺参数钛合金的蠕变性质要求组件。

2。材料和方法

2.1。材料

商用Ti-6Al-4V合金棒的直径100毫米和150毫米的高度是由钢锭冶金生产。他们由中国重型机械研究院名义化学成分表中列出1。

2.2。实验的程序

2.2.1。锻造实验

我们都知道,锻造是一种experience-oriented技术(21]。学院在钛合金锻造实验积累了丰富的经验。因此,基于该标准的锻造实验的锻造手册和锻造经验22]。建立如图的实验过程1。的自由锻造电动液压锤czyq - 120被用于锻造实验。它有一个最大的罢工的1200毫米和罢工的能量120 kJ,分别,锤头的质量是3400公斤。预热和热损失的能源消耗在锻造过程中被认为是。建立之前,上下铁在200到300°C预热根据研究所的锻造过程的要求。样本加热在一个特殊的加热炉的加热速度6°C /分钟。当温度达到预设锻造温度,样本为120分钟,以确保统一的内部和外部的温度分布样本。由于钛合金的锻造温度范围相对狭窄,整个锻造过程需要在20年代尽可能完成。的高度降低锻件控制通过设置的高度限制。最后,锻造时被空气冷却冷却到室温降低锻件的整体高度达到50%。

人们普遍知道的温度影响组件的性能是一个重要的因素在处理(23]。Ti-6Al-4V合金将结晶α在低温和转换规律β步在高温,因此Ti-6Al-4V合金分为的锻造α+β锻造(T= T_β−(30∼60°C)),近了β锻造(T= T_β−(10∼15°C))β锻造(T>T_β)。测量β转变温度的材料是985°C (24]。建立实验方案制定基于锻造温度和之间的关系β相变温度如表所示2。

2.2.2。高温拉伸和蠕变测试

五组每组五个样品的拉伸样品从每个伪造被削减为高温拉伸和蠕变测试样本。然后,所有这些样本机械抛光,清洗,干在测试之前。如数据所示2(一个)和2 (b),几何尺寸的标准高温拉伸和蠕变试验样本确定基于高温金属材料拉伸试验方法(GB / T -2015 - 228.2)和金属材料单轴拉伸蠕变试验方法(GB / T 2039 - 2012)。

进行高温拉伸试验的温度在400°C基于涡轮叶片的服务环境。在测试前,样品已经加载到英斯特朗5982拉力试验机高温的炉加热和关押了15分钟,当温度达到400°C。拉伸速度是10毫米/分钟和拉伸应变速率为6.67×10⁻³年代⁻¹在实验。蠕变试验进行了rd - 100电子轴向拉伸蠕变试验机器在400°C的温度,应力加载484 MPa,蠕变时间为80小时。在测试之前,样品已经加载到高温电炉加热和持有1小时,当温度达到400°C。温度波动小于±2°C。然后,蠕变应力加载的加载速率50 N / s预设值,计时开始。双向伸长计被用来测量样品的蠕变变形和计算机数据采集系统记录了蠕变实时数据。

2.3。有限元方法

2.3.1。本构蠕变模型

本文研究了Ti-6Al-4V合金的蠕变行为建立在恒定的温度和负载,和时间硬化数学模型采用(25,26]: 在哪里和分别是蠕变速率和蠕变时间,一个,n,米是材料常数、压力指数和时间指标,分别一个和n> 0,−1 <米≤0。如方程所示(2),蠕变应变的表达式是获得的积分方程(1): 在哪里蠕变应变。

2.3.2。几何和网格模型

样品的有限元模型与单面裂纹如图3(一),W是宽度,2l是长度,预制裂纹的长度吗 。本构Ti-6Al-4V合金的蠕变模型和力学性能参数介绍了高温蠕变有限元分析模块。蠕变载荷和蠕变时间与蠕变实验数据一致。平衡计算的效率和结果的准确性,细元素使用附近的裂纹尖端而粗糙的元素在其他地方使用。节点线性四边形元素(CPE4R)是用于啮合和全球有限元网格图3(b)和裂纹尖端周围的网格图所示3(c),作为的几何模型W= 20毫米,l= 25毫米,根据标准样品发送(= 2毫米27]。

3所示。结果与讨论

3.1。高温力学性能

如图4,计算每个样本的平均力学参数后,高温机械拉伸实验。当锻造以下β步转变温度,没有显著改变样品的力学性能在不同锻造温度。当上面的锻造温度升高β步转变温度为1000°C,屈服强度和抗拉强度显著增加,平均增加13.8%和10.6%,分别。同时,减少骨折区和伸长也平均增加了15.3%和5.9%。然而,当锻造温度为1025°C,样本的综合力学性能大幅降低。这表明Ti-6Al-4V合金锻造,锻造温度1000°C的最佳强度和延性和显示最佳力学性能。

3.2。高温蠕变性能

每个样本的平均蠕变曲线计算蠕变实验后,如图5。蠕变曲线显示定义良好的蠕变两个阶段如初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段。锻造温度改变时,蠕变株样品1^#,2^#3^#,5^#比样品4吗^#,提前达到稳态蠕变阶段。这是因为,在1000°C的锻造温度,锻造的变形阻力增加,由于增加屈服强度和极限抗拉强度;因此,锻造的蠕变变形的程度降低。

大多数的蠕变时间是被稳态蠕变阶段,稳态蠕变速率和蠕变残余变形通常是用来反映材料的蠕变行为(28]。平均稳态蠕变率和蠕变计算每个样本的残余变形,如图6。随着锻造温度的增加,稳态蠕变率和蠕变残余变形一般倾向于向下波动。当锻造温度以上β转变温度为1000°C,稳态蠕变速率和蠕变残余变形显著降低,平均降低51.3%和25.6%,分别。锻造温度为1025°C时,稳态蠕变率和蠕变残余变形增加20%和30%,分别。因此,在热Ti-6Al-4V合金锤锻,creep-induced失败和伤害的锻造可以显著放缓的锻造温度1000°C。通过这种方式,可以提高组件的使用寿命。

研究表明,材料的力学性能与微观结构。热锤锻Ti-6Al-4V的微观结构在不同锻造温度研究了作者方在前面的工作。这是发现的形态和体积分数α和β阶段显著影响锻造温度的热锤锻过程(2]。如数据所示4- - - - - -6当锻造温度以上β相变温度为1000°C,晶粒α相分散到α+β底物的体积分数α阶段增加。这将导致增加锻造变形阻力和显著提高锻件的力学性能。此外,层状结构显著增加,从而增加蠕滑的困难和阻碍了晶界空洞的形成;稳态蠕变率和蠕变后残余变形减少蠕变。然而,越来越锻造温度为1025°Cα相在晶界成核,然后生长,薄片之前β形成细针状的阶段α+β层状相,导致大幅降低锻件的力学性能。此外,许多α+β层状相的成核提供了一个提高的机会空间,这也加剧了锻件的蠕变变形和蠕变速率。可以看出,增加锻造温度达到1025°C,蠕变变形和蠕变速率增加公司在强度和延性下降剧烈的。因此,蠕变进行了有限元分析的一种合金锻造在925°C, 950°C, 975°C,分别和1000°C。本构的蠕变模型的关键参数方程(2)根据实验蠕变数据,如表所示3。

3.3。裂纹尖端的蠕变特性

3.3.1。蠕变和蠕变率

蠕变曲线裂纹的样品如图7(一)。在80小时的蠕变、蠕变应变Ti-6Al-4V合金的裂纹尖端在不同锻造温度显著改变。下面的蠕变应变Ti-6Al-4V合金锻造β步转变温度大于伪造的上方β步转变温度。当蠕变进行了约70小时,裂纹尖端的蠕变应变和蠕变速率逐渐稳定,和蠕变逐渐达到稳态蠕变阶段。最小蠕变裂纹尖端的应变增量样本4^#是0.45%,降低了45.4%,26.8%,和42.3%相比,样品1^#,2^#,3^#,分别。此外,如图7 (b)示例4^#保持低蠕变率在蠕变过程中,不仅减缓了裂纹尖端的蠕变变形,还可以有效地延缓蠕变裂纹扩展。因此,在1000°C的锻造温度,抗蠕变裂纹尖端的Ti-6Al-4V合金显著改善,这可能延长寿命的钛合金组件通过延缓裂纹扩展过程。

3.3.2。等效蠕变裂纹尖端区域的压力

圆形的面积φ= 50μ米在裂纹尖端被准确地观察到蠕变应变分布。如图8,相当于蠕变株对称分布沿裂缝方向扩张。等效蠕变裂纹尖端的应变梯度样品1^#,2^#,3^#是最明显的,分为八个地区的七个轮廓,和蠕变应变对应于0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%,0.6%,0.7%。不过,示例4的等效蠕变应变分布^#除以轮廓只有0.1%,0.2%,0.3%,0.4%到五个地区。此外,蠕变应变梯度在前面和两边的裂纹样品1^#,2^#,3^#更大比样品4^#,这表明蠕变变形区显著降低和等效蠕变应变X和Y方向将是一个较小的裂纹尖端的应变梯度地区增加锻造温度到1000°C。

机械参数的最大值位于裂纹扩展的前面。等效蠕变应变分布在50μm观察直线裂纹尖端前呈现在图9(一个)。等效蠕变应变的最大值在裂纹尖端大幅减少,然后往往是平面裂纹尖端的距离增加。4样品的等效蠕变应变值逐渐倾向于0.05%时裂纹尖端的距离超出30μm。这意味着锻造温度对蠕变变形的影响在裂纹尖端区域Ti-6Al-4V合金锻造的削弱与裂纹尖端的距离的增加。此外,如表所示4示例4^#展品最低降低等效蠕变应变观测线,下降了48.1%,27.3%,和46.7%,分别比样品1^#,2^#,3^#。

蠕变裂纹扩展的驱动力是由蠕变应变梯度,它是合理的描述蠕变裂纹扩展行为与蠕变应变梯度(29日]。如图9 (b)蠕变裂纹尖端的应变梯度的样品在不同锻造温度显示了蠕变应变相同的趋势。在直线上的观察前面的裂纹,示例4的蠕变应变梯度^#相比显著降低样品1^#,2^#,3^#。

这表明当锻造温度高于β步转变温度为1000°C, Ti-6Al-4V合金锻造可以保持低蠕变应变和蠕变应变梯度在裂纹尖端区域在蠕变过程中即使有微裂隙的出现。低蠕变应变梯度意味着裂纹扩展的驱动力将减少。因此,裂纹扩展速率也将有效地减缓在组件的服务,这是很重要的改善Ti-6Al-4V合金锻造的使用寿命。

4所示。结论

从可持续发展的角度,蠕变行为和蠕变特征的裂纹尖端形成Ti-6Al-4V合金进行了物理实验。然后,裂纹尖端的蠕变特征相同的裂纹长度进行了分析的有限元方法根据实验数据。

实验结果表明,在1000°C表现出最佳高温锻件锻造机械和蠕变性质。屈服强度和抗拉强度平均提高了14.2%和10.6%,分别而伸长和收缩部分平均提高了15.3%和5.9%,分别。此外,稳态蠕变率和蠕变残余变形平均降低51.3%和25.6%,分别。

发现Ti-6Al-4V合金锻造的有限元方法在1000°C的温度是爬了80小时,锻造最小蠕变应变为0.45%,并保持在裂纹尖端蠕变速率最低。此外,蠕变变形区明显减少,和等效蠕变应变X和Y方向将是一个较小的裂纹尖端的应变梯度地区。尤其是在观测线的裂纹尖端前,蠕变应变降低了0.4%,并保持最小值,导致蠕变应变梯度的显著减少,有效地推迟裂纹扩展。

它也表明,在炎热的自由锻造过程中,适当的锻造工艺参数如Ti-6Al-4V合金的锻造温度可以用来帮助降低蠕变,可有效改善Ti-6Al-4V合金组件的使用寿命和可靠性,以及降低钢坯锻造生产浪费和保持最低的能源消耗。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号52175145和52175145)。