脉冲电流对TC4钛合金薄板的性能影响研究

发布时间：2020-06-10 22:17

【摘要】：TC4钛合金具有比强度高、高温性能好、抗蚀能力强等优良的综合性能,在空天宇航、汽车、船建、电气、能源、生物科技等领域的应用广泛。然而TC4钛合金室温塑性差,在成形力的作用下容易引发开裂、回弹等一系列成形缺陷,使它的应用受限。脉冲电流辅助成形工艺能够有效降低成形力,提高TC4钛合金的加工性能和成形质量。本文以TC4钛合金薄板为研究对象,系统地探讨了脉冲电流对TC4钛合金组织结构以及性能的影响规律。修正经典的Hall-Petch关系,建立了脉冲电流作用下TC4钛合金的Hall-Petch关系,并得到了满足“反Hall-Petch关系”的临界电流密度9.07A/mm~2。建立了弹性模量随脉冲电流密度变化的函数关系,分析计算得到塑性阶段有关的模型参数,从而建立了电脉冲作用下TC4钛合金弹塑性流动应力模型。利用单拉试验得到脉冲电流处理前后预制缺陷TC4钛合金的力学性能数据,并从微观角度分析处理前后内部显微缺陷和钛合金基体组织的变化规律,结果表明:当脉冲电流频率从0升至140Hz时,TC4内部孔洞体积分数由2.18%下降至0.86%,屈服强度由928MPa提高到990MPa,抗拉强度由954MPa提升至998MPa,延伸率提高58.82%;当脉冲电流频率从140Hz升至160Hz时,内部孔洞体积分数反而增加,从0.86%增加至1.99%,而屈服强度从990MPa降到978MPa,抗拉强度也从998MPa下降到990MPa,延伸率下降35.19%。显微孔洞体积分数、位错密度以及固溶效应共同决定了预制缺陷TC4钛合金的性能。通过盐雾测试和微观手段研究总结了不同参数的脉冲电流处理对于退火态TC4钛合金腐蚀性能的影响规律,结果表明:TC4钛合金的主要腐蚀方式为点腐蚀,随着脉冲电流频率、电压、通电时间的增加,TC4钛合金的腐蚀性能呈现出先变好后变差的趋势,其中获得最优腐蚀性能的电脉冲参数为脉冲频率200Hz,电压50V,通电时间1min,在该条件下处理得到的TC4钛合金腐蚀等级可达到9。
【图文】：

图 1-1 电脉冲条件对 CHWD 钢裂纹扩展的影响[42]（a）0ms；（b）100ms；（c）120ms；（d）140msFig.1-1 The influence of pulse current on cracks of CHWD steels早在 20 世纪 90 年代，就有学者[38,39]将电脉冲导入正在同步进行疲劳测试晶 Cu、Ti，发现电脉冲可以提高材料的使用寿命。肖素红等将脉冲电流导入变形后的单晶铜，发现由铜单晶的疲劳引起的位错结构会向胞状结构转化，程度降低了疲劳损伤。Levitin 及其合作者[40]定量计算出脉冲电流处理后钛合疲劳寿命，发现处理后的寿命是处理前的 1.5 倍。沈以赴等人[41]在电脉冲条

周亦胄等[43]在 45 号钢中预先制备了一定量的淬火裂纹，，然后将高密度脉冲电流引入 45 号钢，结果发现处理后 45 号钢的硬度并没有降低，而强度和延伸率显著提高，并通过扫描电镜记录了淬火裂纹在脉冲电流处理前后的变化，证实了脉冲电流可以有效压合内部裂纹，如图 1-2 所示。白象忠等[44]通过宏微观分析探讨了脉冲电流引起的电磁热对于钢止裂能力的影响，发现脉冲电流汇集在裂纹尖端可以在尖端表面形成一层硬度高、耐磨性好的白亮层，这个白亮层显著阻碍裂纹扩展。Cai 等[45]在具有裂纹缺陷的载流板中观察了由电流和磁场作用下裂纹尖端的应力情况，得到了电流焦耳热会有效抑制裂纹扩展，而磁场力却会加速裂纹扩展的速率。汪青杰等[46]通过研究得到电磁应力的方向是从裂纹尖端指向裂纹内部，因此电磁应力能有效止裂。张洪潮课题组[47]研究发现脉冲电流能有效钝化内部裂纹的尖端部分，使尖端部分的曲率变大。Qin 等[48]利用热力学方法定量分析了电脉冲与裂纹治愈力的数学关系，推导出了弥合驱动力与弹性模量、电流密度、裂纹形貌和材料尺寸的数学表达式，并计算了促使裂纹弥合的电流密度临界值。Song等[49]对含有裂纹的 TC4 进行电脉冲处理，发现电脉冲能有效降低位错密度，降低塑性变形累积损伤，一定程度弥合内部微裂纹。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23;V25

【参考文献】

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本文编号：2706930