TC4鈦合金的案例
基于晶體塑形TC4鈦合金的有限元模擬仿真 ￥600
TC4_cpfe.zip
CAE文件，需要6.14版本以上打開，包括TC4鈦合金晶體的有限元模型
南京工大《JMST》：含鐵TC4鈦合金的組織強韌化機理！
(TC4)是鈦合金中應用最廣泛的一種，已應用于外科、航空航天、汽車、海洋等行業中，占鈦合金總消耗量的75.85%。
Abaqus鈦合金TC4鉆削仿真案例講解
Abaqus鈦合金TC4鉆削仿真案例講解
光學技術深度解析｜詳解選區激光熔化技術
激光選區熔化成形技術突破了傳統制造工藝的變形成形和去除成形的常規思路，可根據零件三維數模，利用金屬粉末無需任何工裝夾具和模具，直接獲得任意復雜形狀的實體零件，實現“凈成形”的材料加工新理念，特別適用于制造具有復雜內腔結構的難加工鈦合金、高溫合金等零件。
（a）激光選區熔化成形金屬樣件
（b）激光選區熔化成形高溫合金零件
圖3 激光選區熔化成形技術制造的零件
激光選區熔化成形技術通常采用粒徑30μm左右的超細粉末為原材料，圖4為激光選區熔化成形技術制造鈦合金零件所使用的TC4超細球形粉，通常鋪粉厚度＜100μm（最薄鋪粉厚度可達20μm），每個加工層控制的很薄，可達到30μm。另外該技術還使用了光斑很小的激光束，可使成形的零件具有很高的尺寸精度（可達0.1mm）以及優異的表面質量（粗糙度Ra可達30~50μm），圖5為選區激光熔化成形TC4鈦合金表面形貌。
因此該技術具有精度高、表面質量優異等特點，制造的零件只需進行簡單的噴砂或拋光即可直接使用。由于材料及切削加工的節省，其制造成本可降低20%~40%，生產周期也將縮短80%。
圖4 激光精密成形用TC4超細粉
圖5 選區激光熔化成形TC4鈦合金表面形貌
從材料性能角度看，該技術制造的結構件具有微細、均勻的快速凝固組織，各項同性，且綜合性能優異。表1為激光選區熔化成形、激光直接沉積成形、鍛造、鑄造TC4鈦合金的力學性能比較。
表1 激光增材制造鈦合金與鍛造、鑄造鈦合金的力學性能比較
綜上所述，激光選取熔化工藝突破了傳統的去除加工思路，有效解決了傳統加工工藝不可達部位的加工問題，尤其適合傳統工藝如鍛造、鑄造、焊接等工藝無法制造的內部有異形復雜結構的零件制造。
同時，由于該技術成形精度較高，在普通零件應用中可保留更多的非加工面，因此可更好地解決難切削材料的加工問題。
展開 
空空導彈彈體制造中的先進焊接技術
（4）工件變形小，尺寸精密高，能完成大面積的擴散連接。
（5）能焊接一般焊接方法難以焊接的高熔點金屬、陶瓷材料和耐熱合金。
2.3 焊接工藝
真空擴散焊工藝參數包括加熱溫度、焊接時對零件施加的壓力和在焊接溫度下保持的時間及真空度等，其中前三者也是擴散焊接的必要條件。
（1）溫度。溫度是擴散連接最重要的工藝參數。在一定溫度范圍內，溫度越高，則擴散速度越快，結合強度也越高。但達到一定數值后，提高溫度由于晶粒長大接頭質量反而會下降。受材料物理性能、工件表面狀態、設備等因素限制，許多金屬及合金擴散連接合適的加熱溫度一般為0.6~0.8母材熔點。TC4 鈦合金通常選擇920~930℃。
（2）壓力。主要作用是使結合面微觀凸起部分產生塑性變形，達到緊密接觸，同時促進擴散，加速再結晶過程。一般增加壓力可提高強度，但過大會變形，同時增加成本，從經濟角度考慮應選擇較低壓力，鈦合金通常選擇1.0~2.0MPa。
（3）時間。在焊接溫度下保持的時間，必須保證擴散過程全部完成，達到所需的結合強度。時間太短，接頭達不到與母材相等程度；高溫、高壓持續時間太長，質量不能進一步提高，反而會使晶粒長大，形成脆性化合物的接頭，應控制保溫時間以控制脆性層的生成。保溫時間與溫度、壓力是密切相關的，溫度較高或壓力較大時，時間可縮短。在一定溫度和壓力下，焊接時間可在較寬范圍內變化。為提高生產率，在保證強度的條件下，時間越短越好。TC4 鈦合金通常選擇60~90min。
真空擴散焊的工藝流程包括工件表面制備、裝配與裝爐、真空擴散焊接及冷卻后出爐檢驗等。
展開 abaqus 中的 Johnson-Cook 模型如何控制損傷起始位置？
下面將討論修改參考應變率對于損傷起始位置的影響：
把參考應變率從4e-4修改成1，損傷的起始位置會從圖1右邊黃色框住的位置變成左邊，因為參考應變率變大第二個括號變小，導致損傷起始等效塑性應變變小，即損傷位置提前
圖1 修改參考應變率對于損傷起始位置的影響
參考資料：
（1）TC4鈦合金動態力學性能及本構模型研究_惠旭龍
（2）abaqus 幫助文檔
Abaqus彈芯侵徹仿真（彈芯剛體）
本貼使用Abaqus2020版本，仿真剛體彈芯侵徹TC4鈦合金靶板。
幾何模型：
幾何模型使用SOLIDWORKS建模，結構示意圖見圖1所示。彈芯直徑Φ6mm，彈芯長度30.5mm，頭部為圓卵形。鈦合金靶板尺寸為200mm×200mm×10mm。
有限元模型：
有限元模型使用Abaqus建模，靶板四周采用完全固定約束。彈芯因彈頭結構不規則采用自由四面體網格，并設置為剛體。鈦合金靶板采用C3D8R六面體網格掃掠劃分。為了提高計算精度，對彈芯與靶板主要接觸部分采用六面體網格精細劃分處理，如圖2所示。
彈體與靶板之間采用*Surface-to-Surface contact（Explicit）侵徹接觸算法，通過定義彈體表面與靶板node接觸。*Interaction Properties選擇切向行為（摩擦選擇罰公式，摩擦系數為0.3）與法向行為（硬接觸）。
彈芯初始速度為770m/s，方向垂直靶板平面向下，通過創建約束控制。
材料模型
模型單位采用m-kg-s-Pa單位制。
靶板使用* JOHNSON_COOK材料本構模型其本構方程由兩部分組成，第一部分為應力：
式中：
A為屈服應力；B為應變硬化系數；n為應變硬化指數；c為應變率相關系數；m為溫度相關系數；ε ?^P為等效塑性應變；ε0為無量綱塑性比；T*為相對溫度，且
，式中T_melt，T_room 分別為材料的熔點和室溫。
第二部分是斷裂時的應變：
式中：σ^*=p/σ_eff， ，即壓力與VonMises等效應力的比值，D1-D5為失效系數。
展開 從慕尼黑展會看深圳一鑫精密：定制五金塑膠零配件的專業實力與全球吸引力
精密案例吸引眾多客戶駐足
展會現場，我們展示了涵蓋機器人、醫療、汽車、航空航天等多個高端行業的精密加工零件樣品，包括：
機器人結構件與關節組件：采用高強度鋁合金與不銹鋼材料，精度控制在±0.005mm以內，廣泛應用于人形機器人和四足機器狗等。
醫療器械定制部件：展示了使用鈦合金與PEEK材料加工的骨科固定板、外科工具和診斷設備外殼，全部產自通過ISO 13485醫療體系認證的無塵生產車間。
汽車發動機氣缸體零件：復雜幾何與多通道精密孔位結構，確保熱穩定性與密封性。
航天航空渦輪與葉片部件：使用SUS316和TC4鈦合金，通過五軸CNC加工實現極限表面光潔度和輪廓精度。
每一個樣品都是我們深度參與客戶研發項目、通過工藝優化實現高質量輸出的見證。
展品中的明星：宇樹科技機器狗引發關注
在本次展會中，我們特別帶來了客戶單位宇樹科技的明星產品——智能四足機器狗。這一集成了大量一鑫精密加工零部件的設備，成為展會人氣打卡點。參展觀眾對其靈活動作、平穩步態及內部結構表現出濃厚興趣，紛紛拍照合影，甚至主動咨詢相關部件的加工難點與材料選型。
這些機器狗所使用的結構框架、驅動外殼、傳感器安裝座等關鍵零件，均由一鑫精密提供精密加工解決方案，是我們“從設計打樣到批量交付”的能力體現。
用專業解答客戶難題，贏得廣泛認可
在展會現場，我們不僅展示產品，更展示“解決問題”的專業能力。
許多國外客戶現場提出加工問題，例如：
“怎么避免薄壁件變形？”
“鈦合金加工過程中，螺紋如何避免斷刀？”
“復雜曲面零件怎么降低二次打磨工序？”
我們工程師團隊以多年行業經驗為基礎，現場提供專業解答與解決方案建議。許多客戶表示，這種“技術型展出”遠比靜態展示更具價值，進一步增強了對我們合作的信心。
展開 基于Inspire的FSCC賽車懸架立柱優化設計及CAE分析
①降低主銷偏移距：由于選用的賽車車輪的偏心距較小，因此在設計前立柱時，需盡量使上、下臂與立柱的鉸接點在不與其他零件發生干涉的前提下盡量靠近車輪中心線，以減小轉向主銷偏移距和轉向所需要的力矩；②采用輕質材料降低質量：選用鈦合金，以減小立柱的整體質量；③由于幾何空間干涉原因，在保證轉向推桿安裝位置的前提下，沒有多余的空間安裝支耳連接立柱和轉向推桿，因此只對懸架立柱支耳和立柱體進行結構優化。
圖4 未優化前懸架立柱的有限元分析
首先對未優化前的懸架立柱進行了CAE分析，如圖4所示。按照前述受力計算結果，分別在相應位置施加載荷，如圖4(a）所示。由于懸架立柱上下兩部分的受力情況與形狀特征不同，所以將其分解成上下兩部分，并采用不對稱的方式，如圖4(b）所示。設置其分析網格尺寸大小為1.5 mm，并選用TC4鈦合金材料，其楊氏模量為116.5 GPa，屈服強度1 029 MPa。利用Inspire軟件得到有限元模擬結果，如圖4(c）～圖4(e）所示。前立柱的最大應力值為210 MPa，最大應變值為0.002，但考慮到進一步提升整個FSC賽車的性能，需對懸架立柱進行拓撲結構優化，以期達到減重的目的。
在Inspire的優化模塊中選擇拓撲優化，以支架的剛度最大化為設計目標，以設計空間的總體積為設計變量，以無頻率約束、最小厚度為4.5 mm、滑動接觸為約束條件，質量目標為設計空間的20%。在Inspire軟件中，厚度約束指的是優化后結構的最小厚度，其值越小優化精度越高，但所需時間也越久。此外，厚度約束值與后臺的網格數量密切相關，厚度約束值越小則后臺生成的網格數量也越多。Inspire軟件默認后臺網格尺寸大小為厚度約束的1/3。在得到優化結果后，對該結果進行了分析驗證，如圖5所示。
展開 陸軍軍醫大學大坪醫院成功實施3D打印人工頸椎椎體植入手術！
3D科學谷在國家食品藥品監督管理總局了解到，該產品是通過電子束熔融快速成型技術（EBM 3D打印技術）建立互相連接的微孔而制成的多孔植入物,由化學成分和顯微組織符合GB/T13810標準要求的TC4鈦合金材料制成。
3D科學谷了解到，2017年，廣東省首例3D打印人工椎體植入手術中使用的正是愛康醫療的3D打印人工椎體-3D ACT人工椎體系統，實施手術的為南方醫科大學第三附屬醫院（廣東省骨科醫院）。
除此之外，國內還有更多的醫院及3D打印企業致力于3D打印人工椎體的研發、應用工作。
根據3D科學谷的市場觀察，南方醫院脊椎及骨病外科，華鈦三維與澳大利亞莫納什大學增材制造研究中心主任吳鑫華院士團隊合作開發了一種個性化3D打印人工椎體/椎間盤一體化植入物。華鈦三維與吳鑫華院士團隊負責進行鈦合金3D打印的工藝研究及植入物制造，2018年2月7日，南方醫院脊椎及骨病外科使用這款3D打印人工椎體/椎間盤一體化植入物成功實施了植入手術。
西安交通大學第二附屬醫院賀西京教授團隊所負責的科研項目“3D打印技術重建脊柱脊髓功能的臨床應用與相關研究” 也取得了進展。賀西京教授從2012年開始的3D打印技術的臨床應用與相關研究由金屬增材制造企業鉑力特提供技術研究支持。目前，由賀西京教授自主研發的3D打印新型解剖型鈦籠已成功完成臨床試驗，臨床隨訪資料證實其在頸椎椎體次全切植骨融合手術中應用3D打印新型解剖型鈦籠術后塌陷率及頸椎曲度矯正等方面明顯優于使用傳統鈦籠。
來源：3D科學谷
展開 基于 solidThinking Inspire的拓撲優化技術在大型民機發動機吊掛設計中的應用
表 1 發動機吊掛工況
圖 2 中吊掛 1、2、3、4 號接頭為吊掛與機翼的安裝固定點，設為簡支連接。 圖 3 為吊掛初始設計空間的下表面，共有 16 個連接點與發動機和短艙連接。根 據 8 種工況，在 16 個點上施加載荷。
圖 3 吊掛初始設計空間的載荷施加點
2.3 形狀控制
民用飛機的翼下吊掛結構一般左右外形對稱，設置該部件在平行于航向的平面內對稱，如圖 4 所示。
圖 4 吊掛初始設計空間左右對稱形狀控制
2.4 材料屬性
選用TC4鈦合金作為發動機吊掛材料，彈性模量E=110GPa，泊松比μ=0.33， 密度 ρ=4500kg/m^3，屈服強度 σ0.2=860MPa。
2.5 拓撲優化
拓撲優化運行要素包括優化目標、最大化剛度、質量最小化、質量目標、應力約束、位移約束、頻率約束、厚度約束和重力等等。在模型載荷和約束的基礎上，優化軟件從設計空間去除材料，生成能抵抗施加到模型載荷的最優形狀。設計空間和施加在模型上面的載荷、位移以及形狀控制一定時，根據運行優化窗口中所選目標的不同，產生的結果也不盡相同。因此運行優化時，必須分析優化目標是剛度最大化還是質量最小化。若優化目標是設計空間剛度最大化，可以得到既定質量下剛度可能最大的形狀，優化后發動機吊掛結構將不容易發生變形，但是可能質量會更重一些。
展開 
鍛造工藝對Ti-30Zr-5Al-3V合金顯微組織及性能的影響研究
表1 Ti-30Zr-5Al-3V合金鑄錠的化學成分(wt%)
表2 Ti-30Zr-5Al-3V合金棒材鍛造工藝設計
注：① 1#～4#工藝鍛樣均進行700℃/1h·AC退火處理；②工藝編號下文沿用。
實驗結果及討論
在鈦合金特別是α+β雙相鈦合金中，可以觀察到各式各樣的組織，鈦合金的力學性能在很大程度上取決于這兩個相的比例、形態、尺寸和分布。目前，最典型且應用最廣泛的TC4鈦合金的四種典型組織對應的性能如表3所示。
表3 TC4典型組織的室溫力學性能
由表3可以看出，不同的顯微組織對TC4的室溫性能有很大的影響。隨著α相尺寸的減小，棒材的強度有所降低，延伸率顯著提高。許多研究者認為，復雜合金化鈦合金的強化水平是由加入的各種元素產生的強化疊加起來的，由此，通過計算可得TC4合金中Al強度當量為9.8，Mo強度當量為2.4，計算強度約為940MPa，這與其真實值基本相當。對于Ti-30Zr-5Al-3V合金，按名義成分進行計算，Al強度當量為15，Mo強度當量為1.76，進而計算出該合金的強度值約為1220MPa。相關學者研究發現：鈦鋯合金相對于純鋯和純鈦，合金熔點降低了，耐腐蝕性變強了，并且由于鈦鋯合金具有更細小的顯微組織，其強度和塑性都比純鋯和純鈦高。
通過表2設計的鍛造工藝，獲得了Ti-30Zr-5Al-3V合金的四類典型組織：魏氏組織、網籃組織、雙態組織和等軸組織。通過分析不同組織形貌對應的力學性能，積累Ti-30Zr-5Al-3V合金的性能特點。
不同鍛造工藝對顯微組織的影響
由圖1可以看出：添加了30%Zr的Ti-30Zr-5Al-3V合金屬于典型的α+β雙相鈦合金，其組織形貌與兩相鈦合金的組織類型一致，這與Zr元素是中性元素的結論是一致的。
展開 2021年金屬3D打印粉末材料簡報.PDF
、不銹鋼、模具鋼和新型特種合金粉末
氣霧化
成都優材科技
醫用鈦合金粉末
/
湖南寧鄉吉唯信
球形鋁粉
有研粉材
銅合金、鈦合金等
氣霧化
浙江亞通焊材
模具鋼/不銹鋼/鎳基合金粉/鈦及鈦合金/鈷鉻合金/鋁基合金粉/銅合金粉
/
無錫飛而康
鈦/鋁/鎳/鈷鉻合金、鋼等金屬粉末
EIGA
湖南頂立科技
球形鈦/鎳/鈷鉻鉬/鋁/鐵基/合金粉末
N-PREP、氣霧化、水霧化
河南遠洋粉體
球形鋁粉
/
南通金源智能
鋁合金、不銹鋼、鈦合金及高溫合金粉末
氣霧化
廣東銀納
球形鉭粉、鎢粉、納米粉
/
蘇州艾諾得
美國PAC中國區代理
/
安徽中體新材
鐵基粉末、鋁基粉末、鎳基粉末、鈷基粉末、鈦基粉末、銅基粉末
/
西安歐中
鈦/鋁/鎳/鈷鉻合金、鋼等金屬粉末
SS-PREP
唐山威豪
鎂粉
/
臺灣中佑精材
不銹鋼、工具鋼、TC4、鈷基合金、鎳基合金、鐵基合金、鋁合金粉末
展開 鍛造工藝和熱處理工藝對TC4-DT合金鍛件組織性能影響
文／蘭寶山·貴州航宇科技發展股份有限公司
TC4-DT 鈦合金是我國自行研制的一種典型的中高強損傷容限鈦合金。本文主要對TC4-DT 鈦合金鍛造工藝、熱處理工藝、微觀組織和力學性能之間的關系進行了研究，利用光學金相組織觀察、力學性能測試等研究手段，總結出不同鍛造工藝和熱處理工藝對該合金的組織和性能的影響規律。
TC4-DT 作為適應現代材料科學發展的一種損傷容限合金，必須具備良好的綜合力學性能。鈦合金的性能和其組織形態關系密切，鈦合金的組織形態往往是由冶煉與后續的鍛造工藝和熱處理工藝決定的。鈦合金的熱處理強化的基本原理，既與鋁合金相似，屬于淬火時效強化類型，又與鋼的熱處理相似，也有馬氏體相變。
TC4-DT 合金的力學性能主要由冶煉過程、鍛造過程和熱處理過程決定。通過不同的鍛造和熱處理工藝可以獲得不同顯微組織的TC4-DT 合金，以獲得最優的強度、塑性、斷裂韌性，以滿足不同的使用要求。因此，探討TC4-DT 鈦合金的鍛造與熱處理工藝與顯微組織、力學性能之間的關系有著重要的意義。
TC4-DT 鍛造原材料
TC4-DT 原材料化學成分
鍛造用原材料(棒料)為西部超導提供的直徑d為300mm 的720℃退火態的車光棒，采用金相法測得該批TC4-DT 原材料的β 相變點為(970±5)℃。原材料化學成分見表1。
表1 TC4-DT 原材料化學成分(wt%)
TC4-DT 原材料超聲波探傷
由表2 可知，鍛造用TC4-DT 原材料超聲波探傷結果未見超標單顯，但雜波水平超標，φ1.2mm 平底孔半聲程雜波水平為-2dB ～+2dB，判定為組織不均勻造成的散射混響引起輕微的雜波水平超標。
展開 航空發動機葉片裂紋擴展規律數值模擬研究
Wang 等[15] 利用ABAQUS 和Franc3D 研究了GH4169 高溫合金在滑動疲勞磨損條件下的裂紋擴展特性。李巖等[16] 基于Franc3D 探討了渦輪盤裂紋關鍵位置選擇、初始裂紋尺寸及形狀的確定和選擇問題。路衛兵等[17] 使用Fracnc3D 針對大模數表面淬火齒條的裂紋擴展規律進行了研究。熊勛等[18]采用Franc3d 和ABAQUS 聯合仿真的方法,對帶初始預制裂紋的Q235 鋼CT 試樣進行了疲勞裂紋擴展及壽命預測和分析。謝芳等[19] 利用ANSYS 及Franc3D 對球形壓力容器軸向橢圓埋藏裂紋擴展進行了分析。
在葉片裂紋擴展理論和數值分析方面,當前研究多局限
于表面裂紋和穿透裂紋,但是實際中的葉片多以三維裂紋形式存在,對于其裂紋前緣形貌、裂紋擴展路徑、裂紋擴展壽命的建模、數值模擬、理論分析都十分復雜。針對以上問題,本文基于ABAQUS 聯合Franc3D 對壓氣機葉片進行裂紋擴展模擬仿真研究,分析初始裂紋位置、初始裂紋前緣形狀、初始裂紋方向等裂紋參數對葉片裂紋擴展的影響。
2 葉片實物及幾何結構建模
2. 1 葉片幾何模型
本文以某型航空發動機壓氣機葉片為研究對象,實物如圖1(a)所示。該葉片葉身高度為136. 2 mm,葉身寬度為68. 2 mm,初始扭轉角為10°。建立葉片幾何模型,如圖1(b)、圖1(c)所示。
圖1 葉片實物及幾何結構模型示意圖
2. 2 葉片有限元模型
使用ABAQUS 軟件建立葉片有限元模型,如圖2 所示,葉片使用六面體網格劃分,網格尺寸為1 mm,葉片前緣、后緣區域對網格進行了適當加密,網格單元總數為96 611。葉片材料為TC4 鈦合金,材料主要力學性能參數見表1 所示。
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