TC11钛合金叶轮类复杂构件等温成形规律与数值模拟

论文摘要

钛合金斜流叶轮是发动机的关键受力构件,对尺寸精度和组织性能要求很高。目前,我国该类零件主要由数控加工和化铣加工而成,材料利用率和生产效率很低,而且叶形内部流线由于机械加工而被切断,导致叶片性能大幅下降。因此,该类零件的制造技术已经远远落后于我国制造业发展的需求,成为制约我国航空航天发动机发展的瓶颈之一。本文采用物理模拟与数值模拟相结合的研究方法,将等温成形和闭塞式成形技术相复合,整体精密成形出尺寸精度和性能均符合要求的TC11钛合金叶轮。该研究对于我国航空航天发动机叶轮类锻件的研制、开发和生产,以及提高我国武器装备制造水平有着重要的意义。本文利用Gleeble-1500型热模拟实验机进行了等温恒应变速率压缩试验。分析了变形温度、变形程度和应变速率对TC11钛合金高温流动行为及组织演变的影响,揭示了其动态变形机制,并建立了该合金在α+β两相区及β相区的热变形本构方程,为设备吨位选择及有限元数值模拟提供了理论依据。基于动态材料模型理论,在TC11钛合金高温压缩试验基础上建立了该合金的热加工图。结合对变形试样的微观组织观察和表征建立了功率耗散系数η与热加工参数的定量关系,以及η和热变形机制及组织之间的内在联系。构建了TC11钛合金在不同变形条件下的变形机制图,确立了变形过程中片状组织球化、动态再结晶、动态回复的安全区间,以及发生绝热剪切带、微观裂纹和不稳定流动的失稳区间,获得了该合金热加工参数的最佳范围,从而达到控制锻件组织结构与性能的目的。为了深入分析叶轮成形过程中金属的流动机理和变形规律,从而精确控制钛合金叶轮复杂锻件尺寸精度,建立了叶轮热变形过程的热力耦合三维刚粘塑性有限元计算模型,对带有径向扭曲叶片的TC11钛合金叶轮整体精密成形过程进行三维有限元模拟。揭示了钛合金斜流叶轮的变形机理,预报成形质量缺陷,为优化TC11钛合金叶轮等温精密锻造热力参数和模具结构尺寸奠定了理论基础。采用等温成形和闭塞式锻造复合技术,一次整体精密成形出尺寸精度符合要求的TC11钛合金叶轮。为使锻件顺利脱模,采用组合式凹模技术,内层凹模由17块形状相同的凹模镶块组成。为了获得最佳成形方案,采用不同的坯料进行了试验研究。运用局部加载成形理论,有效控制了变形区的部位和金属的流动方式,从而可以降低成形载荷、提高模具寿命并改善锻件质量。对成形后的TC11钛合金叶轮锻件进行不同的热处理实验研究,确立了组织和性能配合最佳的热处理工艺制度,即采用多重退火工艺可以获得良好的综合机械性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属热变形行为及本构关系研究现状
• 1.3 材料热变形过程中加工图研究及其应用
• 1.3.1 加工图类型
• 1.3.2 加工图在材料变形过程中的应用
• 1.4 金属体积成形有限元模拟技术及其应用
• 1.4.1 金属体积成形有限元模拟技术的发展概况
• 1.4.2 有限元模拟技术在叶轮叶片成形中的应用现状
• 1.5 精密塑性体积成形技术及其应用
• 1.5.1 精密塑性体积成形技术发展概况
• 1.5.2 精密成形技术在叶轮类零件制造上的应用
• 1.5.3 等温模锻和闭塞式锻造
• 1.6 课题背景和意义
• 1.7 本文主要研究内容
• 第2章 TC11 钛合金热变形行为及组织演变规律
• 2.1 引言
• 2.2 试验方法
• 2.3 TC11 合金高温变形行为
• 2.3.1 TC11 合金真实应力-应变曲线
• 2.3.2 变形温度对TC11 合金流动应力的影响
• 2.3.3 应变速率对TC11 合金流动应力的影响
• 2.3.4 TC11 合金高温变形本构方程
• 2.4 TC11 钛合金高温变形组织演变规律研究
• 2.4.1 变形程度对组织演变规律的影响
• 2.4.2 变形温度对组织演变规律的影响
• 2.4.3 应变速率对组织演变规律的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 TC11 钛合金高温变形热加工图
• 3.1 引言
• 3.2 加工图理论基础
• 3.2.1 动态材料模型
• 3.2.2 塑性失稳判断准则
• 3.3 TC11 合金高温变形加工图
• 3.3.1 加工图的建立
• 3.3.2 加工图功率耗散效率分析
• 3.3.3 加工图失稳区间观察与分析
• 3.4 TC11 合金微观组织变形机制图
• 3.5 本章小结
• 第4章 叶轮成形过程刚粘塑性有限元数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 钛合金叶轮成形模拟方案
• 4.2.1 叶轮锻件几何造型
• 4.2.2 钛合金叶轮成形过程模拟条件
• 4.3 TC11 钛合金叶轮成形过程模拟结果及分析
• 4.3.1 叶轮成形方案1 模拟及分析
• 4.3.2 叶轮成形方案2 模拟及分析
• 4.3.3 叶轮成形方案3 模拟及分析
• 4.3.4 叶轮成形方案4 模拟及分析
• 4.3.5 不同方案成形载荷比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 TC11 钛合金叶轮等温精密成形实验
• 5.1 引言
• 5.2 叶轮精密成形模具设计
• 5.2.1 模具结构设计
• 5.2.2 模具材料
• 5.3 叶轮等温成形物理模拟试验
• 5.4 TC11 钛合金叶轮等温精密成形实验
• 5.5 本章小结
• 第6章 TC11 钛合金叶轮锻件组织性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 TC11 钛合金叶轮锻件组织观察
• 6.3 TC11 钛合金叶轮锻件热处理
• 6.4 TC11 钛合金叶轮锻件力学性能测试与分析
• 6.4.1 TC11 钛合金叶轮锻件力学性能测试
• 6.4.2 TC11 合金微观组织与力学性能关系讨论
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历