水轮机叶片Ti5553合金的冲蚀磨损特性研究

发布时间：2017-10-01 11:31

  本文关键词：水轮机叶片Ti5553合金的冲蚀磨损特性研究

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【摘要】：水轮机是水利发电中必不可少的驱动装置,在多泥沙水域中,水轮机叶片的冲蚀磨损问题成为水利发电中亟待解决的难题。高强度近β型Ti5553合金具有优异的强度、断裂韧性和淬透性,在航天航空、海洋、船舶、能源等领域展现出巨大的应用前景。但在含泥沙水域中钛合金制成的许多部件存在冲蚀磨损问题,极大的限制了其在多相流冲蚀浆料环境中的应用。因此,研究Ti5553合金的冲蚀磨损性能逐渐成为海洋摩擦学领域重要的一项研究热点。由于钛合金材料的微观组织是影响其性能的关键因素,根据Ti5553合金的热加工特性,本文采用先进的等通道转角挤压方法对Ti5553合金进行热加工处理,随后进行固溶处理和时效处理,以有效地细化Ti5553合金的显微组织,进而提高Ti5553合金在含海沙水域中的抗冲蚀磨损能力,并取得了原创性的研究成果。第一,运用ABAQUS自带的点迹跟踪法模拟Ti5553合金的等通道转角挤压过程中,探讨挤压角、挤压温度、挤压速度、摩擦系数对应力场分布均匀性的影响。模拟结果表明:在外接圆弧角ψ和内转角φ均为90o时,试样产生的变形较大,应力分布较均匀,且应力集中现象较小;当摩擦系数、挤压速度增加时,产生等效应变的时间均提前;挤压温度为850℃,挤压速度为25 mm?s-1,润滑条件良好的情况下,Ti5553合金的变形情况相对较好。第二,分别测试了经高温ECAP处理前后Ti5553合金的力学性能。结果表明:经高温ECAP挤压后的Ti5553合金的屈服强度提高了36%,断裂失效时的应变提高了66%,断裂韧性提高了49.4%,冲击韧性提高了31.4%。第三,通过对比冲蚀前后经ECAP挤压和未经ECAP挤压的Ti5553合金的失重情况,评定其冲蚀磨损程度。结果表明:在相同的冲蚀磨损条件下,经过ECAP挤压的Ti5553合金,重量损失减小了40%,划痕及和冲击坑裂纹的面积减小了62%,灰度值的标准方差也减小了32%,试样表面更加光滑,抗冲蚀磨损性能显著提高。第四,通过观察经ECAP挤压后Ti5553合金在不同冲蚀磨损阶段的表面形貌情况,探讨其失效原因和冲蚀磨损机理。结果表明:随着冲蚀磨损时间的增加,被冲蚀材料的冲蚀磨损机理由开始阶段的微切削逐渐变成冲击挤压变形,且保持不变;均匀分布在紧实?基体内的α相对于提高合金的强度、韧塑性及抗冲蚀磨损能力方面起到了关键的作用。本文首次运用高温ECAP工艺对Ti5553合金进行加工处理,研究了高温ECAP工艺对Ti5553合金微观组织和冲蚀磨损性能的影响。结果表明,该方法可显著地提升Ti5553合金的力学性能和抗冲蚀磨损能力。
【关键词】：Ti5553合金 等通道转角挤压(ECAP) 有限元分析 冲蚀磨损机理 细晶强化
【学位授予单位】：浙江海洋学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK730.3
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 选题背景及研究意义15-17
• 1.1.1 选题背景15-16
• 1.1.2 研究意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-23
• 1.2.1 等通道转角挤压工艺的研究现状17-21
• 1.2.2 Ti5553合金的基本特性研究21-23
• 1.3 本论文研究拟解决的关键问题23-24
• 1.4 本论文研究的主要内容24-25
• 第二章 Ti5553合金等通道转角挤压过程有限元模拟25-36
• 2.1 ECAP有限元分析的参数设定25-27
• 2.1.1 ECAP有限元模型及其参数25-26
• 2.1.2 边界条件及网格划分26-27
• 2.2 模具内转角对Ti5553合金ECAP的影响27-28
• 2.2.1 模具内转角对等效应变值分布的影响27
• 2.2.2 模具内转角对应力场分布的影响27-28
• 2.3 模具外转角对Ti5553合金ECAP的影响28-29
• 2.3.1 模具外转角对等效应变值分布的影响28-29
• 2.3.2 模具外转角对应力场分布的影响29
• 2.4 挤压温度对Ti5553合金ECAP的影响29-31
• 2.4.1 挤压温度对等效应变值分布的影响29-30
• 2.4.2 挤压温度对应力场分布的影响30-31
• 2.5 摩擦系数对Ti5553合金ECAP的影响31-33
• 2.5.1 摩擦系数对等效应变值分布的影响31-32
• 2.5.2 不同摩擦系数下的应力场分布32-33
• 2.6 挤压速度对Ti5553合金ECAP的影响33-34
• 2.6.1 挤压速度对等效应变分布的影响33
• 2.6.2 挤压速度对应力场分布的影响33-34
• 2.7 本章小结34-36
• 第三章 试验材料和研究方法36-42
• 3.1 试验材料36
• 3.2 高温ECAP参数选择及试验方法36-38
• 3.2.1 高温ECAP参数选择36-37
• 3.2.2 高温ECAP试验方法37-38
• 3.3 力学性能测试方法38
• 3.4 冲蚀磨损试验及方法38-42
• 3.4.1 冲蚀磨损试验装置38-40
• 3.4.2 冲蚀磨损试验方法40-42
• 第四章 Ti5553合金显微组织及力学性能研究42-47
• 4.1 Ti5553合金显微组织42-43
• 4.2 Ti5553合金力学性能研究43-44
• 4.3 ECAP工艺对Ti5553力学性能的作用机理44-45
• 4.4 本章小结45-47
• 第五章 Ti5553合金冲蚀磨损性能研究47-58
• 5.1 Ti5553合金冲蚀磨损失重情况分析47-48
• 5.2 Ti5553合金冲蚀磨损表面形貌分析48-50
• 5.2.1 Ti5553合金冲蚀磨损表面起伏定量分析48-50
• 5.2.2 划痕及冲击坑裂纹面积分析50
• 5.3 冲蚀磨损机理演变过程50-53
• 5.4 影响冲蚀磨损机理演变的因素53-57
• 5.4.1 Ti5553合金力学性能对机理演变的影响53-54
• 5.4.2 冲蚀磨损速度对机理演变的影响54
• 5.4.3 ECAP工艺及显微组织对冲蚀磨损机理的影响54-57
• 5.5 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 总结58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-67
• 致谢67-68
• 在读期间发表的学术论文及研究成果68

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本文编号：953261