网篮组织TC17合金高温变形机制及连接过程数值模拟研究

发布时间：2020-09-29 12:27

　　采用塑性变形连接技术制造轻量化构件,能够同时满足航空航天装备的减重和性能要求。但是,连接过程产生的塑性变形不利于轻量化构件的精确化制造。为了实现连接过程塑性变形的精确控制,本文针对塑性变形连接技术工艺参数范围,研究了网篮组织TC17合金高温塑性变形时的微观机制;建立了塑性变形本构模型;结合数值模拟技术,模拟了空心件塑性变形连接过程;分析了空心件连接过程成形规律。本文主要研究内容和结果如下:以TC17合金热模拟压缩试验为基础,采用光学显微镜对微观组织形态进行观察,研究了工艺参数对TC17合金微观组织形态的影响。研究结果表明:变形温度、变形程度及应变速率显著影响TC17合金的相含量及片层α相的球化。变形温度和变形程度对TC17合金片层α相的球化体积分数影响显著。应变速率明显影响片层α相的球化方式,表现为高应变速率下片层α相垂直于压缩轴方向的择优取向;低应变速率下片层α相的末端粗化。采用电子背散射衍射技术和透射电子显微镜技术研究了TC17合金α和β相的动态回复、动态再结晶及其交互作用。研究结果表明:片层α相的动态再结晶方式为位错运动机制主导的几何动态再结晶和依赖扩散机制的转动再结晶,较高应变速率下几何动态再结晶为主,随着应变速率的降低,转动再结晶进行程度逐渐增强;β相的主要再结晶方式为位错运动机制主导的经典连续动态再结晶,在片层α相交汇处,β相为协调周围α相的变形,局部位置会发生转动再结晶;当区域内相邻的片层α相及β相的协调变形作用不足以满足基体变形时,为了协调整个基体的变形,具有α相“软取向晶粒”的区域会优先变形,造成该区域α相的球化和β相再结晶程度高于相邻的具有α相“硬取向晶粒”区域。以TC17合金热模拟压缩试验获得的流动应力-应变曲线为基础,研究了TC17合金的高温变形力学行为;结合微观组织观察,揭示了宏观力学行为同微观组织演变的交互作用。变形初期,α相和β相的动态回复导致初始流动软化的发生。随着变形程度的增大,α/β相界面的Burgers位相关系逐渐破坏,α相晶粒发生“硬取向”向“软取向”的转动并发生明显的球化,β相发生动态再结晶;这些导致流动软化的继续发生。当应变速率为0.1 s~(-1)和0.0002 s~(-1)时,应变速率敏感性指数在不同应变下随变形温度的变化趋势相似,随变形温度的升高先增加后减小,这与高应变速率下位错伴随晶界滑动和低应变速率下扩散伴随晶界滑动分别主导界面滑动有关。当应变速率为0.01 s~(-1)和0.001 s~(-1)时,应变速率敏感性指数变化趋势相似且稳定,这与位错伴随晶界滑动和扩散伴随晶界滑动协调作用有关。应变硬化指数随应变的增大而逐渐减小,这与网篮组织TC17合金的流动软化效应有关。高温塑性变形过程中表观变形激活能随应变增大而逐渐减小,α+β相区的表观变形热激活能为374.3±75 kJ·mol~(-1)。基于位错运动机制和扩散机制,以位错密度为内变量建立了钛合金塑性变形本构模型,该模型可以定量不同机制对塑性变形的贡献;应用于网篮组织TC17合金,经可靠性分析,证明该模型能够较好的描述TC17合金的高温变形行为。采用扫描电子显微镜技术对TC17合金塑性变形连接界面进行观察,研究了塑性变形连接行为。α相为两相合金的硬质相,连接界面的β相位置更易发生塑性变形而发生接触,促进界面空洞的分割,当空洞分割至与片层α相厚度相当时(~1μm),空洞停止分割。结合TC17合金塑性变形连接试验试样的应变和界面连接率的计算结果,研究了塑性变形对界面连接率的影响规律。随着应变的增大,界面连接率先后经历快速增长、抛物线增长和缓慢增长阶段;当应变为~0.05时,,界面连接率达到95%左右,应变的继续增大不会导致界面连接率的显著增大。采用ABAQUS数值模拟软件,通过VUMAT接口实现塑性变形本构模型的导入,模拟了TC17合金空心件塑性变形连接过程,研究了空心件几何参数和连接工艺参数对连接过程的影响。几何参数对空心件连接过程应力分布、应变分布和应力最大值的影响不显著,对应变最大值和载荷影响较为显著。当加强筋数目n=2,加强筋外缘壁厚t=2.25 mm,加强筋高宽比G=1.5时,空心件整体和空腔的应变最大值最小,空腔的变形均匀程度最高且变形程度较小。采用中心复合设计和响应面方法,研究连接温度(T)和压下量(h)对连接界面易变形位置平均应变(e_(FP) _I)和界面连接率显著增长结束时刻响应参量(f_(FPII))的影响,基于改进的NSGA-II多目标优化遗传算法,优化TC17合金空心构件塑性变形连接工艺参数,优化结果显示连接温度(T)在1073 K附近,压下量(h)在0.5~0.65 mm范围内。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.23
【部分图文】：

示意图,空洞闭合,表面源,三种机制

西北工业大学工学博士学位论文面发生迁移。中物质传递存在多种途径，示意图如图 1-1 所示。从表面至颈部；机制 3 由体扩散控制，方向为从蒸发沉积到颈部的结果；机制 5 为从界面至颈部的制，方向为从界面至颈部。表面曲率的差异为机动力作用下物质从低曲率点向高曲率区传输，伴变为圆形。直至空洞轴比为 1 时，这些机制不再起塑性变形和蠕变，加速空洞的闭合。

空心叶片,蜂窝板,桁架,塑性变形

三种常见的空心叶片结构: (a) 蜂窝板芯; (b) 桁架芯; (ctures of hollow blade: (a) honeycomb sandwich panel; (b) panel; (c) no sandwich panel性变形机制及连接过程研究需要解决接会引起材料宏观塑性变形，这一方面加速了连件连接界面质量的提高；另一方面塑性变形的发不可控因素增多，不利于轻量化构件的精确成形程中的塑性变形，亟需解决以下基础问题。的高温塑性变形机制及力学行为对工艺参数十分形连接工艺参数范围，研究网篮组织 TC17 合金建立塑性变形本构模型，进而结合有限元软件实

微观组织形貌,纵截面,横截面,合金

图 2-1 TC17 合金微观组织形貌：(a) 横截面；(b) 纵截面Fig. 2-1 Micrograph of TC17 alloy: (a) cross section; (b) longitudinal section2.3 物理模拟试验2.3.1 热模拟压缩试验热模拟压缩试验在 Gleeble-3500 型热模拟压缩机上完成。热模拟压缩试样采用尺寸为 8×12mm 的圆柱体。加热方式采用电阻加热，试验前试样两端用石墨润滑剂进行润滑，以尽可能减少由摩擦引起的鼓肚、侧翻、流动应力-应变曲线上翘等现象，获得单向应力状态下的试验条件。热模拟压缩试验过程如下：先将试样以 10 K·s-1的速度加热至变形温度，保温 5min 后进行压缩，压缩完成后取出试样空冷至室温。压缩过程由焊接在试样侧面中部的热电偶实时测温，通过闭环温控系统控温，控制温度一般为±1K。试

【参考文献】