TC21钛合金大型铸锭开坯过程的数值模拟研究

论文摘要

钛合金大型铸锭内部往往存在着严重的缺陷,且在开坯锻造时坯料表面质量及开坯参数的选择难以控制和决定。因此,对其开坯工艺的研究具有重要的意义。本文研究了铸态TC21钛合金的高温变形行为,建立本构关系模型,利用有限元软件DEFORM-3D分别对TC21钛合金大型铸锭镦粗成饼坯的过程以及圆截面铸锭拔长至矩形截面锻件的过程进行了数值模拟,揭示开坯工艺参数对开坯质量的影响规律,以期为实际生产中开坯锻造工艺的制定提供理论依据和指导。本文的研究内容和结论如下：（1）研究了铸态TC21钛合金的高温变形行为,建立了本构关系模型,为TC21钛合金大型铸锭开坯锻造过程的有限元模拟提供材料模型。（2）对铸锭镦粗成饼坯的高温锻造开坯过程进行了数值模拟,研究了两步锻造时不同的变形量组合和端面摩擦系数对饼坯中等效应变场和断裂因子分布状态的影响,得出了在最佳应变量组合下,锻后饼坯中的应变均匀性高,均匀变形区面积大,断裂因子数值最小。（3）对初始圆截面坯料拔长至矩形截面锻件的过程进行了数值模拟,研究了在该拔长过程中不同的圆角半径、接砧量及压下量对锻件表面成形质量和锻件形状的影响规律,优化出最佳工艺参数,以获得良好的锻件成形质量和形状,为后续拔长做准备。（4）对平砧拔长矩形截面锻件的过程进行了数值模拟,研究了在该拔长过程中上下砧宽、压下量方案、错砧方案对锻件内部质量（锻件心部孔洞闭合效果和锻件内部等效应变分布状态）的影响规律,得出：砧宽比为0.6时,锻件心部孔洞闭合效果较好；每次压下量基本一致的压下量方案结合每一工序都错1/2砧的错砧方案时,能获得内部质量较好的锻件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金基本特性及应用
• 1.3 钛合金锻造成形技术
• 1.4 大型钛合金铸锭锻造工艺概述
• 1.5 有限元模拟技术在塑性成形中的应用
• 1.5.1 有限元模拟技术的概述
• 1.5.2 有限元模拟技术在锻造中的应用
• 1.6 课题的研究内容和意义
• 1.6.1 课题研究内容
• 1.6.2 课题研究主要意义
• 第2章 锻造成形数值模拟的有限元理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 刚粘塑性有限元基本理论
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 基本方程
• 2.2.3 刚粘塑性材料的变分原理
• 2.2.4 刚粘塑性有限元求解步骤
• 2.3 传热问题的基本理论
• 2.3.1 基本方程
• 2.3.2 初始条件和边界条件
• 2.4 热力耦合有限元分析技术
• 2.4.1 变分原理
• 2.4.2 变形过程中的热力耦合分析
• 第3章 TC21钛合金的高温热变形行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料及方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验方法
• 3.3 TC21钛合金的流变应力曲线分析
• 3.4 TC21钛合金的本构关系及变形激活能
• 3.5 本章小结
• 第4章 TC21钛合金大型铸锭镦粗成饼坯过程的数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 数值模拟模型的建立
• 4.3 不同的应变量组合对饼坯表面质量和内部应变状态的影响
• 4.4 本章小节
• 第5章 TC21钛合金大型铸锭开坯拔长至矩形截面锻件的数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 数值模拟模型的建立
• 5.3 上下砧圆角对锻件表面成形质量的影响
• 5.4 接砧量对锻件表面成形质量的影响
• 5.5 圆截面坯料拔长至矩形截面锻件过程中压下量的确定
• 5.6 本章小结
• 第6章 平砧拔长矩形截面锻件的数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 数值模拟模型的建立
• 6.3 上下砧宽对锻件心部质量的影响
• 6.3.1 模拟方案
• 6.3.2 不同砧宽对锻件内部空洞闭合的影响
• 6.4 压下量对锻件心部质量的影响
• 6.4.1 模拟方案
• 6.4.2 不同的压下量对锻件内部空洞闭合效果的影响
• 6.4.3 不同的压下量对锻件内部应变状态的影响
• 6.5 错砧方式对锻件心部质量的影响
• 6.5.1 模拟方案
• 6.5.2 不同错砧方案对锻件内部应变状态大小和分布的影响
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢