TC4钛合金端框粉末体多向加载成形致密的有限元模拟研究

发布时间：2020-05-07 04:47

【摘要】：采用Gleeble-1500D热模拟压缩试验机,对热等静压态TC4钛合金和等离子放电烧结态TC4钛合金进行高温热压缩试验,研究材料的高温流变行为;采用数值模拟系统分析了钛合金端框复杂结构件粉末体预锻成形阶段及多向加载成形阶段的密度分布规律。主要工作有:针对TC4钛合金粉末进行热等静压和等离子放电烧结的致密化成形,分析得到的热等静压态TC4钛合金和等离子放电烧结态TC4钛合金在温度为850~1050℃、应变速率为0.001~5s~(-1)的条件下进行高温热压缩变形时的真应力-真应变曲线特征,建立了适用于热等静压态TC4钛合金和等离子放电烧结态TC4钛合金高温流变行为的Arrhenius方程和DMM加工图并分析研究了其微观组织形貌的演变规律;使用Deform-3D软件进行TC4钛合金端框复杂结构件预锻成形及多向加载成形的数值模拟研究,分析不同加载方式及加工参数下热等静压态TC4钛合金及等离子放电烧结态TC4钛合金端框粉末体致密化程度及密度分布规律,找到最佳加工工艺手段,系统分析了不同方案下钛合金复杂端框结构件多向加载整体成形的效果及可行性。研究结果表明:(1)热等静压态TC4钛合金和等离子放电烧结态TC4钛合金在温度850~1050℃、应变速率0.01~0.1 s~(-1)的高温变形条件下进行热压缩时流变应力曲线一开始出现加工硬化,后呈动态再结晶型,峰值应力均随着应变速率的增大而增大、随着变形温度的升高而降低;热压缩完成后两种状态的TC4钛合金均出现动态软化现象,软化的主要机制是动态回复。(2)热等静压态TC4钛合金热变形激活能的值为548.262kJ/mol,求得其Arrhenius本构方程和流变应力σ的Z参数表达式为:(?)通过验证分析得到平均相对误差仅为6.77%,证明所建立的Arrhenius本构方程能够准确地分析预测热等静压态TC4钛合金高温变形时的流变应力。(3)等离子放电烧结态TC4钛合金热变形激活能的值为747.403kJ/mol,求得其Arrhenius本构方程和流变应力σ的Z参数表达式为:(?)通过验证分析得到平均相对误差仅为5.66%,证明所建立的Arrhenius本构方程能够准确地分析预测等离子放电烧结态TC4钛合金高温变形时的流变应力。(4)利用动态材料模型(DMM)建立TC4钛合金的热加工图,并结合微观组织分析得出热等静压态TC4钛合金最佳加工区间为温度850~950℃,应变速率0.01~0.1s~(-1),等离子放电烧结态TC4钛合金最佳加工区间为温度880~940℃,应变速率0.01~0.1s~(-1)。(5)数值模拟分析表明,热等静压态及等离子放电烧结态TC4钛合金端框预锻成形应采用内外径同时加载的多向加载方式,能够得到致密化程度较好、密度分布均匀的端框坯料粉末体;TC4钛合金端框多向加载成形阶段,轴向侧向同时挤压比先轴向挤压后侧向挤压和先侧向挤压后轴向挤压的加载方式成形所得到的端框结构件拥有更好的密度分布均匀性,在温度为910℃、挤压速度为1.5mm/s的参数条件下采用轴向侧向同时挤压的多向加载方式是加工热等静压态TC4钛合金端框的最合适工艺手段;在温度为920℃、挤压速度为1.5mm/s的参数条件下采用轴向侧向同时挤压的多向加载方式是加工等离子放电烧结态TC4钛合金端框的最合适工艺手段。由应力分析可知,采用等离子放电烧结态TC4钛合金作为端框结构件的材料,加工较为省力。因此,以等离子放电烧结态TC4钛合金为材料,在温度为920℃、挤压速度为1.5mm/s的参数条件下采用轴向侧向同时挤压的多向加载方式是端框结构件最合适的加工方案。
【图文】：

微观组织是由α相固溶体组成的单相合金就被称为α-钛合金，随着温度的变化波动相对较小，不论是在一般的低温下还度下，均呈现α相，组织很稳定，且与纯钛相比有着更高的氧化能力，需要在高温环境下工作方能发挥其出色的力学性并不高，那么此时若想使α-钛合金的力学性能得到进一步的效处理的方法来实现；β-钛合金的微观组织则主要是由β相较差，并不太适宜在高温高压的恶劣工作环境下使用，而在色的力学强度性能，因此更适合作为常温下的钛合金材料选密度较小，重量很轻，适用于作为原材料来制造单位强度高境适应性强大的零件结构件，，因此被广泛应用于国防武器、制造、核能动力、医学器具、精密仪表、航空航天飞行器设是一种重要的金属合金，对于中国工业水平的发展和新时期重大意义。

了较为成熟的科研理论体系和实际生产经验规律，为多向加生产技术推进作出重大贡献，为金属多向加载成形领域奠定 TC4 钛合金研究现状金，即 Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，热导率低，比强度合力学加工性能，是目前为止工业生产中应用最为广泛的钛比较，不仅同时具备了钛合金的诸多共同优点，而且具有自C4 钛合金于 1954 年首次被合成研制成功，由于其出众的材应用于对材料性能要求极高的航空飞行器制造领域，之后随，TC4 钛合金的各种优良属性逐渐被揭示发掘，因此渐渐被生产之中，其产量也逐年递增，其自身产量约占钛合金总产加工件中的占比更是高达 95%以上[26]。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG379;TF125.22

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本文编号：2652458