TC4钛合金薄壁件退火变形数值模拟及试验研究

发布时间：2017-05-08 07:06

  本文关键词：TC4钛合金薄壁件退火变形数值模拟及试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：TC4钛合金广泛应用于航空航天领域,常以退火状态作为最终使用状态,然而钛合金由于弹性模量低,钛合金结构件初始应力复杂,在退火过程中产生较大变形。为控制TC4钛合金在热处理过程中的变形,本文采用数值模拟和试验结合的方法对TC4钛合金退火变形及其控制进行研究。通过研究钛合金退火变形规律,结合工艺参数对钛合金退火变形及热校形的影响,以退火后变形最小化为目标,对钛合金退火工艺参数和热处理夹具进行优化,从而控制钛合金薄壁件退火变形。首先,本文采用MSC.marc分别建立了热粘塑性和热弹塑性钛合金退火模型,模拟TC4钛合金退火过程,并试验验证。研究结果表明,蠕变是预测变形准确性的关键因素,热粘塑性模型预测薄板退火变形更加准确,误差小于10%。残余应力是薄板发生整体变形的根本原因,残余应力在蠕变作用下产生的蠕变应变及弹性应变是退火变形的直接原因。残余应力以弹性应变的形式释放,在降低时存在滞后现象。其次,研究了不同退火温度对钛合金力学性能的影响,确定了退火温度范围;在模型优化的基础上,采用数值模拟研究了不同退火温度、保温时间、加热速度和冷却速度对薄板退火变形的影响,并得到试验验证。结果表明,钛合金在所选退火温度范围内经退火后的强度比未经退火的均有提高,断后伸长率差别不大。随着退火温度升高,蠕变速率增加,退火变形量增大;随着保温时间延长及加热速度、冷却速度降低,蠕变时间延长,退火变形量增加。最后,研究了工艺参数对钛合金薄板热校形的影响,同时分析了重力对退火变形的影响。结果表明,随着退火温度升高,热校形最终变形量越大,热校形效果越好,并且最终变形量增长速率随着温度升高而先增加后降低,保温时间延长、加热速度降低和冷却速度降低也导致热校形最终变形量的增加。重力及夹具对钛合金退火变形影响显著,夹具形式影响着热处理过程中重力的影响效果,决定零件最终变形。在薄板热校形及退火变形的研究基础上,结合T形件简支撑退火变形规律,对退火工艺参数及热处理夹具进行优化,优化后T形件退火变形在±0.06mm范围内,绝对变形小于0.08mm,针对初始变形分别为0.025mm和0.250mm的T形件,夹具均可有效控制热处理变形。
【关键词】：退火 变形 残余应力 钛合金 数值模拟
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG156.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 热处理变形简介及研究现状12-16
• 1.1.1 热处理变形概述12-13
• 1.1.2 热处理变形研究现状13-14
• 1.1.3 热处理变形数值模拟研究现状14-15
• 1.1.4 退火热处理的研究现状15-16
• 1.2 残余应力对热处理变形的影响16-18
• 1.2.1 残余应力简介16
• 1.2.2 残余应力对热处理变形影响的研究现状16-18
• 1.3 钛合金及其热处理18-19
• 1.3.1 钛合金的发展及应用18
• 1.3.2 钛合金的热处理18-19
• 1.3.3 钛合金热处理变形研究现状19
• 1.4 本文的研究目的及主要内容19-22
• 1.4.1 研究目的19-20
• 1.4.2 研究内容20
• 1.4.3 研究路线20-22
• 第二章 试验材料及方法22-33
• 2.1 试验材料22
• 2.2 钛合金退火热处理实验22-25
• 2.2.1 钛合金薄板退火热处理实验23-24
• 2.2.2 钛合金薄板热校形实验24-25
• 2.2.3 钛合金T形薄壁件热处理实验25
• 2.2.4 退火处理对钛合金力学性能的影响25
• 2.3 形状测试及力学性能测试25-28
• 2.3.1 形状测试25-27
• 2.3.2 力学性能测试27-28
• 2.4 有限元分析28-31
• 2.4.1 模型建立28-31
• 2.4.2 模型优化31
• 2.4.3 工艺参数的影响31
• 2.5 本章小结31-33
• 第三章TC4 钛合金薄板退火变形的有限元模型优化33-47
• 3.1 模型建立33-34
• 3.1.1 温度边界条件33
• 3.1.2 模型设置33-34
• 3.2 模拟结果分析34-44
• 3.2.1 温度场分析34
• 3.2.2 应变场分析34-37
• 3.2.3 应力场分析37-39
• 3.2.4 变形分析39-44
• 3.2.5 模型对比分析44
• 3.3 实验验证及模型优化44-46
• 3.3.1 实验结果44-45
• 3.3.2 模拟结果和实验结果对比分析45-46
• 3.3.3 模型优化46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 工艺参数对TC4 钛合金薄板退火变形的影响规律研究47-65
• 4.1 退火温度的影响47-53
• 4.1.1 退火温度的选择47-48
• 4.1.2 有限元分析48-52
• 4.1.3 实验验证52-53
• 4.1.4 结果分析53
• 4.2 保温时间的影响53-57
• 4.2.1 有限元分析53-56
• 4.2.2 实验验证及分析56-57
• 4.3 加热速度及冷却速度的影响57-64
• 4.3.1 加热速度对退火变形影响的有限元分析57-61
• 4.3.2 冷却速度对退火变形影响的有限元分析61-64
• 4.3.3 实验验证64
• 4.4 本章小结64-65
• 第五章TC4 钛合金薄壁件退火工艺参数优化及变形控制65-81
• 5.1 钛合金薄板热校形试验研究65-69
• 5.1.1 夹具设计65
• 5.1.2 热校形实验及结果65-68
• 5.1.3 结果分析68-69
• 5.2 重力对钛合金退火变形的影响69-76
• 5.2.1 放置方式对薄板退火变形的影响69-71
• 5.2.2 T形件退火变形分析71-74
• 5.2.3 重力对退火变形及热校形影响分析74-76
• 5.3 钛合金T形件夹具设计、工艺参数优化及变形控制76-79
• 5.3.1 T形件热处理夹具设计76-77
• 5.3.2 工艺参数优化77
• 5.3.3 T形件热处理变形控制77-79
• 5.4 本章小结79-81
• 第六章 结论与展望81-84
• 6.1 结论81-82
• 6.2 展望82-84
• 参考文献84-89
• 致谢89-90
• 在学期间发表的学术论文90

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