TC21复杂构件高效超塑成形技术的研究

发布时间：2017-09-18 21:48

  本文关键词：TC21复杂构件高效超塑成形技术的研究

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【摘要】：TC21是应用于现代航空航天领域的一种新型损伤容限型钛合金,本文所研究的对象TC21钛合金左推力销支座是飞机的重要承力结构件之一,但其形状复杂,在普通锻造成形过程中材料利用率低下,组织性能无法满足需求。怎样才能完整并高效地成形损伤容限型钛合金复杂构件已成为亟需解决的问题。本文提出的高效超塑等温锻造成形方法,与传统的普通模锻成形方法相比,不仅能满足产品构件复杂的形状要求,而且能有效地提高超塑性成形效率。该方法在航空复杂构件超塑成形的工程应用领域具有广阔的应用前景。本文对供货态的TC21钛合金进行了一系列组织分析测试和超塑性力学性能研究,根据实验结果构建了TC21钛合金超塑性本构方程,还通过有限元软件DEFORM进行超塑性拉伸和超塑性等温锻造数值模拟,获取最佳变形参数。具体研究内容如下:(1)对供货态TC21钛合金使用光学显微镜进行金相分析,使用扫描电镜进行能谱测试获得其元素成分含量,通过计算法得到其β转变温度为965℃。(2)在电子拉伸试验机上对TC21钛合金试样在860℃-940℃进行了最大m值法、基于m值的高效法、应变速率循环法超塑性拉伸实验,实验结果表明,900℃温度下:最大m值法的延伸率达到431.49%,变形效率为2.48;而高效法的延伸率为293.87%,所对应的变形效率却达到了15.15,高效法较最大m值法来说变形效率提高了6.1倍。(3)在温度为860℃-940℃范围内进行五组应变速率循环法超塑性拉伸实验,利用了逐步回归的方法,构建基于Arrhenius的TC21钛合金超塑性本构方程,求出激活能为233.712kJ/mol。再通过1stOpt软件回归拟合进行本构模型的修正后,其计算值与实验值的匹配度高达0.99。该本构方程可以精确地反映材料流动应力与应变、应变速率和变形温度之间关系,还可作为有限元模拟条件。(4)设计超塑性等温锻件及模具,将有限元模型导入DEFORM-3D软件,对左推力销支座锻件的成形过程进行数值模拟。模拟不同的参数条件和锻造工艺方法对锻造过程的影响,可获得金属流动变化规律、应力应变等参数变化和载荷曲线等。根据模拟结果优化毛坯和模具,确定最佳成形方法,为TC21钛合金左推力销支座的实际锻造工艺和模具设计提供有力依据。
【关键词】：TC21 高效法 本构方程 超塑性 数值模拟
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V261
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 引言9-11
• 1.2 选题依据、目的和意义11-13
• 1.2.1 选题依据11-12
• 1.2.2 选题目的12-13
• 1.2.3 选题意义13
• 1.3 损伤容限型钛合金TC2113-15
• 1.4 普通锻造及超塑性等温锻造的发展及其应用15-17
• 1.5 有限元锻造模拟的研究概况17-18
• 1.6 本课题的创新点18-19
• 1.7 本课题的主要研究内容19-20
• 第2章 实验材料与实验方法20-28
• 2.1 引言20
• 2.2 实验材料及试样制备20-23
• 2.2.1 实验材料20-23
• 2.2.2 试样制备23
• 2.3 实验设备23-25
• 2.3.1 金相处理设备23-24
• 2.3.2 拉伸实验设备24-25
• 2.4 超塑性拉伸实验方案设计25-27
• 2.4.1 最大m值法超塑性拉伸实验26
• 2.4.2 基于m值的高效法超塑性拉伸实验26
• 2.4.3 应变速率循环法超塑性拉伸实验26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 超塑性拉伸实验结果及分析28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 超塑性拉伸实验结果28-31
• 3.3 TC21钛合金超塑性拉伸实验结果分析31-33
• 3.3.1 温度对TC21钛合金流动应力的影响31-32
• 3.3.2 流动应力-真应变曲线32-33
• 3.3.3 高效法与最大m值法拉伸效率比较33
• 3.4 TC21钛合金超塑性变形的本构关系研究33-39
• 3.4.1 建立基于Arrhenius型方程的TC21钛合金本构方程34-37
• 3.4.2 本构关系的误差检验及修正37-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 TC21左推力销支座锻件及其模具设计40-53
• 4.1 引言40-41
• 4.2 超塑性等温锻件设计41-46
• 4.2.1 超塑性等温锻件设计原则41-42
• 4.2.2 左推力销支座精密锻件设计42-46
• 4.3 超塑性等温锻造模具设计46-51
• 4.3.1 模具结构设计47-49
• 4.3.2 模具材料的选择49-50
• 4.3.3 毛边槽的设计50
• 4.3.4 模腔设计50-51
• 4.4 坯料计算51-52
• 4.5 闭式模锻锻件设计52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 超塑性等温拉伸与锻造有限元模拟53-78
• 5.1 引言53
• 5.2 DEFORM数值模拟初始条件设置53-55
• 5.3 超塑性等温拉伸数值模拟55-60
• 5.3.1 模型建立及参数设置55-58
• 5.3.2 模拟结果与实验结果对比及分析58-60
• 5.4 开式模锻超塑性等温锻造过程数值模拟60-76
• 5.4.1 不同因素对等温锻造模拟结果的影响60-69
• 5.4.2 不同锻造方式对模拟结果的影响69-73
• 5.4.3 最佳工艺参数与锻造方案优化设计73-76
• 5.5 闭式模锻超塑性等温锻造过程模拟76-77
• 5.6 本章小结77-78
• 第6章 结论与展望78-80
• 6.1 结论78-79
• 6.2展望79-80
• 参考文献80-83
• 攻读硕士期间发表论文及参加科研情况83-84
• 致谢84-85

【共引文献】

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本文编号：877710