阳极氧化及热处理对TC4钛合金阻尼行为影响

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Ti-6Al-4V(TC4)合金作为一种使用最为广泛的钛合金,其具有良好的力学性能、耐腐蚀性能及加工性能,多被应用于航空涡扇发动机及潜艇管道、外壳。上述应用领域都对材料的阻尼性能有较高的要求,以便消耗外加能量,减弱振动,而当前TC4合金阻尼性能很差,这很不利于其在相关领域的应用。目前针对TC4合金阻尼性能改善领域的研究还较少,本文将通过阳极氧化与热处理相结合的方法改善TC4合金的内耗特性,并对其相关阻尼机理、力学性能及耐腐蚀性能进行研究,从而获得一种处理工艺以提高TC4阻尼性能同时改善耐腐蚀性能且尽量不损失其力学性能。本课题首先研究了阳极氧化工艺对TC4阻尼性能的影响,接着研究了热处理工艺对TC4阻尼性能的影响,最后研究了复合处理工艺(热处理+阳极氧化)对TC4阻尼性能的影响,与此同时也分别研究了各个工艺对TC4力学性能及耐腐蚀性能影响,得到以下研究结果:(1)通过阳极氧化工艺参数调试得到最优工艺:氧化电压(E)=30V,氧化时间(t)=300S,电解液温度(T)=25℃,电极间距(L)=30mm,其内耗值(ε)为0.0188,是未处理TC4合金阻尼系数的5.3倍;通过热处理工艺参数调试获得使TC4合金阻尼性能最优的工艺参数:850℃×30min固溶水淬,其内耗值(ε)为0.0129,是未处理TC4阻尼系数的3.7倍;通过复合工艺(热处理+阳极氧化)参数调试得到使TC4合金阻尼性能最优工艺:E=30V,t=300S,T=25℃,L=30mm,然后850℃×30min固溶水淬,其内耗值(ε)为0.0290,是未处理TC4合金阻尼系数8.2倍。(2)通过阳极氧化处理改善TC4合金内耗的机制主要是氧化物薄膜与TC4金属基体热膨胀系数存在巨大差异,进而导致界面处应力集中,其超过TC4合金屈服极限,发生微塑性变形诱导位错产生。在外力作用下,这些G-L位错往复运动消耗能量,增加了TC4试样内耗;热处理改善TC4合金内耗的机制则主要是α+β相区固溶水淬后会产生较软相α’’+β亚稳,这些软相在外力作用下发生微塑性变形及在界面处的粘弹性,进而消耗能量提升TC4合金阻尼性能;复合处理工艺(热处理+阳极氧化)改善TC4合金阻尼性能的机制是热处理与阳极氧化处理的联合:氧化物-金属基体界面处G-L位错阻尼机制和软相α’’+β亚稳微塑性变形及其在晶界处的粘弹性。(3)阳极氧化与热处理所得TC4试样阻尼性能都表现出较为明显的频率响应特性,这与其阻尼机制密切相关;服役环境温度变化都会使试样阻尼系数增加,出现阻尼峰效应。阳极氧化处理TC4所产生的阻尼峰主要与热激活效应有关,而热处理态TC4产生的阻尼峰可能与其组织变化有关。(4)经过阳极氧化或复合工艺处理,TC4试样的耐腐蚀性能有了明显提高,这主要是氧化膜的保护作用,这种改善与氧化电压密切相关,氧化电压的增大会使氧化膜厚度和致密度增加,进而增加其耐蚀性。(5)TC4试样的屈服强度与显微硬度在α+β相区固溶水淬时会有所降低,850℃×30min固溶水淬后TC4试样的显微硬度值和屈服强度分别为292.60HV和768.19MPa,而未处理TC4试样的显微硬度值为337.08HV和925MPa,这主要是由于软相α’’+β亚稳的存在。
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