TA15钛合金薄壁构件热强旋成形及性能强化机理研究

发布时间：2018-02-02 17:29

  本文关键词： TA15钛合金 剪切旋压 筒形件旋压 组织演化 旋轮分布模式　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：为适应武器装备的轻量化和高性能发展需求,钛合金强力旋压技术获得了广泛的关注。但是强力旋压影响因素众多,成形过程芯轴、坯料和旋轮之间的相互作用对旋压工艺稳定性具有重要影响。TA15钛合金具有密排六方为主的晶体结构,决定了其塑性变形过程呈现明显的各向异性,而强力旋压过程金属沿构件轴向和环向变形流动具有明显的不均匀性,如何控制旋压件性能均匀性需要深入地研究。采用弹塑性有限元方法对强力旋压过程进行了模拟分析。剪切旋压变形区金属所受轴向压应力绝对值最大,环向压应力绝对值最小,主要发生厚度减薄和轴向伸长,环向应变几乎为零。筒形件旋压变形区金属所受径向压应力绝对值最大,环向压应力绝对值最小,受三向压应力作用呈现径向压缩和轴向伸长应变,环向应变较小。筒形件强旋过程,由于旋轮的非对称分布,变形区的环向应力分布不再具有周期性。各旋轮径向旋压力呈现差异导致芯轴受力偏载,影响旋压工艺的稳定性及旋压件的成形精度。旋轮数量及其沿着芯轴环向的中心夹角决定了每个旋轮的实际进给比、接触区轮廓和面积,接触区面积和实际进给比成比例关系,且旋压力变化与接触面积成正相关。设计了旋压芯轴偏载数据测量系统,验证了有限元模拟和芯轴受力状态力学解析结果的正确性。针对旋压过程芯轴受力偏载问题提出了非对称错距旋压新方法,有效改善了非对称旋压芯轴受力不平衡难题,在双辊旋压机上实现多旋轮旋压成形,提高了设备柔性和工艺稳定性。TA15钛合金多道次剪切旋压实验表明,在剪切应力作用下,首先发生了晶粒破碎,随着旋压道次和减薄率的增加,旋轮径向作用力增加,晶粒沿构件轴向和切向同时产生伸长变形,晶粒细化明显。锥形件轴向和环向的抗拉强度经历了先减小后逐渐增加的趋势,环向压缩屈服强度保持缓慢升高,这是由于剪切旋压环向应变很小,而旋压过程晶粒细化作用促进了压缩屈服强度的升高。原始板材具有明显的各向异性,随着剪切旋压对长条状晶粒的破碎作用,部分晶粒取向发生10(?)0和11(?)0方向倾转,0001基面织构被弱化,随着旋压减薄率增加,晶粒被压缩并沿母线方向伸长,大量晶粒晶体取向分布趋于一致,又形成了较强的0001基面织构取向分布。从剪旋锥形件两个方向晶粒{0001}11(?)0基面滑移系平均Schmid因子对比可知,相对于板材明显的各向异性,多道次剪切旋压锥形件各向异性较小,表现出两个方向上的强化效应,构件性能更加均匀。TA15钛合金筒形件多道次热强旋过程中晶粒沿轴向被逐渐拉长形成长条状纤维组织,环向伸长程度低于轴向。随着减薄率的增加,单向旋压筒形件的轴向抗拉强度逐渐高于环向,而交叉旋压筒形件的环向与轴向性能比较接近。单向旋压过程,沿轴向上晶粒c轴与ND取向差逐渐减小,从60.7°减小到25.4°,而沿环向上晶粒c轴与ND取向差基本不变,导致旋压筒形件各向异性明显。交叉旋压过程晶粒沿轴向和环向的晶体取向都发生了明显转动,晶粒c轴与ND取向差同时减小,沿轴向上从58.3°减小到24.3°,沿环向上从49.1°减小到16.1°。单向旋压后轴向的{0001}11(?)0基面滑移系Schmid因子明显小于环向,而交叉旋压过程晶粒取向Schmid因子在环向也有明显降低,促进了环向力学性能的提升。采用筒形件变壁厚旋压制坯和热扩口成形获得了壁厚均匀且组织性能良好的薄壁锥筒构件。通过控制坯料不同部位温度区间和各段壁厚分布,有效避免了传力区起皱和变形区破裂,提高了扩口成形极限和壁厚均匀性。采用剪切旋压预成形和多道次强旋成形实现了薄壁锥筒构件的整体精密成形。剪切旋压使轧制板材中层片状长条组织产生了破碎,随着多道次强旋成形,破碎后的晶粒逐渐沿构件轴向和环向伸长变形,成形后构件微观组织更加细化,轴向和环向性能都获得了强化,抗拉强度提高约20%。
[Abstract]:In order to adapt to the light weight and high - performance development demands of the weapon equipment , the strength spinning technology of titanium alloy has gained wide attention . However , the influence factors of strong spinning are many factors . The axial tensile strength of the one - way spinning cylindrical member is gradually higher than that of the circumferential direction , and the circumferential direction of the cross - spinning cylindrical member is close to the axial performance .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG306

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本文编号：1485065