TA15钛合金板材高温变形行为及变速率热态气压成形研究
发布时间：2021-11-04 05:35
随着航空、航天飞行器向轻量化、高速化、高可靠性和长寿命方向发展,迫切需要高性能、高精度钛合金复杂薄壁构件。TA15钛合金在450-500℃服役温度下具有较高的比强度和高温强度,结构效益十分显著,使得TA15钛合金薄壁构件在航空、航天等领域需求广泛。但是,提高钛合金构件的综合性能对成形制造技术提出了新的挑战。由于TA15钛合金室温成形性能低,以往多采用超塑成形,但超塑成形温度高（850℃以上）、成形时间长,往往导致组织性能弱化,难以满足服役性能要求。为此,本文采用晶体塑性有限元模拟方法,研究TA15钛合金板材的高温变形微观机理,为调控钛合金热态气压成形薄壁构件的组织性能提供了工艺基础。为了建立TA15钛合金高温变形晶体塑性本构模型,首先分析高温变形微观机理（700-800℃+0.1-0.001 s-1）,建立了考虑变形温度、变形激活能和可动位错密度的位错运动和晶界滑移动力学方程。之后,建立了动态回复、动态再结晶和微观孔洞演化模型,并通过UMAT子程序将晶体塑性本构模型嵌入ABAQUS有限元软件,实现了TA15钛合金高温微观变形行为的晶体塑性有限元模拟。通过晶体塑性有限元模拟和EBSD技术...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
TC4钛合金波纹管[8]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-2-大直径U型TC4钛合金波纹管，如图1-1所示。传统超塑成形工艺所需金属材料的晶粒尺寸通常小于10μm，变形温度高于0.5，应变速率通常低于0.001s-1，加热及成形效率较低，通常使构件发生明显的晶粒长大以及氧化现象，导致构件组织性能弱化。图1-1TC4钛合金波纹管[8]Fig.1-1BellowsofTC4titaniumalloy[8]为了避免钛合金复杂薄壁构件传统热成形工艺中存在的成形效率低、能耗大、构件性能和精度差等问题，在内高压成形工艺和超塑成形工艺基础上，发展出了热态气压成形技术，工艺初期主要服务于汽车轻量化，研究铝合金、镁合金和高强钢的热态气压成形工艺[4,9]。相较于传统超塑成形工艺，低成形温度、高变形速率和高成形气压是热态气压成形的显著特征，旨在实现高精度构件的高效成形。基本原理是将两端密封的管材坯料加热至一定温度，向管内通入高压气体，在气压和端部推力共同作用下使管材成形贴靠模具，获得所需构件[10]，如图1-2所示。图1-2热态气压成形工艺示意图[10]Fig.1-2Schematicofhotgasforming[10]为了解决钛合金异型截面整体构件成形难题，哈工大刘钢教授[11]将热态气压成形工艺推广至钛合金管材构件成形，研制了钛合金热态气压成形工艺平台，胀形气体压力可达70MPa，成形温度可达1000℃。首先，开展了低强度TA18
ü?呶鹿懿淖杂烧?形实验测试了所制管坯的塑性成形性能，管坯的极限膨胀率均超过70%，满足复杂异形截面薄壁构件的成形性要求[15,16]。在大尺寸TA15钛合金异形截面构件成形过程中，通过局部扩胀的预成形方式显著提高了构件的壁厚均匀性[17]，如图1-4所示。在Ti2AlNb基合金方形截面构件热态气压成形过程中，提出气压成形-原位热处理复合工艺，如图1-5所示[18]，在气压成形结束之后，向成形管件内部持续通入高压冷气，使构件在内压支撑作用下进行原位热处理，实现热态气压成形Ti2AlNb基合金构件成形成性一体化调控。图1-3TA18钛合金的典型异形截面管件[11-14]Fig.1-3Tubularcompoentswithirregular-sectionofTA18titaniumalloy[11-14](a)squarecrosssection,(b)50%expansionratio,(c)70%expansionratio尽管与传统的成形工艺相比，热态气压成形工艺大大提高了钛合金的成形效率，但成形模具和初始管坯的加热效率依然有待改善。为了进一步缩短工艺周期，出现了电流加热辅助的热态气压成形工艺，通过电流仅加热初始管坯，(a)(b)(c)
【参考文献】：
期刊论文
[1]Flow behavior and processing map for hot deformation of ATI425 titanium alloy[J]. Qinggang Meng,Chunguang Bai,Dongsheng Xu. Journal of Materials Science & Technology. 2018(04)
[2]基于经典塑性理论的新型亚稳β钛合金热变形粘塑性统一本构模型[J]. 王哲君,强洪夫,王广. 稀有金属材料与工程. 2014(10)
[3]轻质高强度汽车结构件热态金属气压成形工艺[J]. 袁清华,黄重国,吴昕. 新技术新工艺. 2007(08)
[4]钛合金波形膨胀节超塑气胀成形技术研究[J]. 王刚,张凯锋,吴德忠,王长文,苑世剑,王敬泽. 压力容器. 2002(08)
博士论文
[1]Ti-22Al-24.5Nb-0.5Mo板材气胀成形微观组织与形变耦合建模仿真[D]. 武永.哈尔滨工业大学 2017
[2]Ti-3Al-2.5V合金方截面管高压气体胀形规律与成形缺陷控制[D]. 王建珑.哈尔滨工业大学 2016
[3]TA15钛合金激光焊接管材热气胀变形行为与微观机理[D]. 王克环.哈尔滨工业大学 2016
[4]基于建模的TA15钛合金组织—性能定量关系研究[D]. 吉喆.西北工业大学 2015
[5]TA15钛合金热强力旋压组织演化规律及强化机理研究[D]. 陈勇.哈尔滨工业大学 2014
[6]Ti-22Al-25Nb合金板材高温变形行为与成形性能研究[D]. 林鹏.哈尔滨工业大学 2013
[7]双相多晶钛合金微观塑性变形机理与组织演化的定量研究[D]. 何东.哈尔滨工业大学 2012
[8]金属组织转变与变形的相场与晶体塑性模拟及其耦合模型[D]. 吕良星.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3475106
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
TC4钛合金波纹管[8]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-2-大直径U型TC4钛合金波纹管，如图1-1所示。传统超塑成形工艺所需金属材料的晶粒尺寸通常小于10μm，变形温度高于0.5，应变速率通常低于0.001s-1，加热及成形效率较低，通常使构件发生明显的晶粒长大以及氧化现象，导致构件组织性能弱化。图1-1TC4钛合金波纹管[8]Fig.1-1BellowsofTC4titaniumalloy[8]为了避免钛合金复杂薄壁构件传统热成形工艺中存在的成形效率低、能耗大、构件性能和精度差等问题，在内高压成形工艺和超塑成形工艺基础上，发展出了热态气压成形技术，工艺初期主要服务于汽车轻量化，研究铝合金、镁合金和高强钢的热态气压成形工艺[4,9]。相较于传统超塑成形工艺，低成形温度、高变形速率和高成形气压是热态气压成形的显著特征，旨在实现高精度构件的高效成形。基本原理是将两端密封的管材坯料加热至一定温度，向管内通入高压气体，在气压和端部推力共同作用下使管材成形贴靠模具，获得所需构件[10]，如图1-2所示。图1-2热态气压成形工艺示意图[10]Fig.1-2Schematicofhotgasforming[10]为了解决钛合金异型截面整体构件成形难题，哈工大刘钢教授[11]将热态气压成形工艺推广至钛合金管材构件成形，研制了钛合金热态气压成形工艺平台，胀形气体压力可达70MPa，成形温度可达1000℃。首先，开展了低强度TA18
ü?呶鹿懿淖杂烧?形实验测试了所制管坯的塑性成形性能，管坯的极限膨胀率均超过70%，满足复杂异形截面薄壁构件的成形性要求[15,16]。在大尺寸TA15钛合金异形截面构件成形过程中，通过局部扩胀的预成形方式显著提高了构件的壁厚均匀性[17]，如图1-4所示。在Ti2AlNb基合金方形截面构件热态气压成形过程中，提出气压成形-原位热处理复合工艺，如图1-5所示[18]，在气压成形结束之后，向成形管件内部持续通入高压冷气，使构件在内压支撑作用下进行原位热处理，实现热态气压成形Ti2AlNb基合金构件成形成性一体化调控。图1-3TA18钛合金的典型异形截面管件[11-14]Fig.1-3Tubularcompoentswithirregular-sectionofTA18titaniumalloy[11-14](a)squarecrosssection,(b)50%expansionratio,(c)70%expansionratio尽管与传统的成形工艺相比，热态气压成形工艺大大提高了钛合金的成形效率，但成形模具和初始管坯的加热效率依然有待改善。为了进一步缩短工艺周期，出现了电流加热辅助的热态气压成形工艺，通过电流仅加热初始管坯，(a)(b)(c)
【参考文献】：
期刊论文
[1]Flow behavior and processing map for hot deformation of ATI425 titanium alloy[J]. Qinggang Meng,Chunguang Bai,Dongsheng Xu. Journal of Materials Science & Technology. 2018(04)
[2]基于经典塑性理论的新型亚稳β钛合金热变形粘塑性统一本构模型[J]. 王哲君,强洪夫,王广. 稀有金属材料与工程. 2014(10)
[3]轻质高强度汽车结构件热态金属气压成形工艺[J]. 袁清华,黄重国,吴昕. 新技术新工艺. 2007(08)
[4]钛合金波形膨胀节超塑气胀成形技术研究[J]. 王刚,张凯锋,吴德忠,王长文,苑世剑,王敬泽. 压力容器. 2002(08)
博士论文
[1]Ti-22Al-24.5Nb-0.5Mo板材气胀成形微观组织与形变耦合建模仿真[D]. 武永.哈尔滨工业大学 2017
[2]Ti-3Al-2.5V合金方截面管高压气体胀形规律与成形缺陷控制[D]. 王建珑.哈尔滨工业大学 2016
[3]TA15钛合金激光焊接管材热气胀变形行为与微观机理[D]. 王克环.哈尔滨工业大学 2016
[4]基于建模的TA15钛合金组织—性能定量关系研究[D]. 吉喆.西北工业大学 2015
[5]TA15钛合金热强力旋压组织演化规律及强化机理研究[D]. 陈勇.哈尔滨工业大学 2014
[6]Ti-22Al-25Nb合金板材高温变形行为与成形性能研究[D]. 林鹏.哈尔滨工业大学 2013
[7]双相多晶钛合金微观塑性变形机理与组织演化的定量研究[D]. 何东.哈尔滨工业大学 2012
[8]金属组织转变与变形的相场与晶体塑性模拟及其耦合模型[D]. 吕良星.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3475106
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