钛合金四层板结构超塑成形/扩散连接工艺数值模拟与试验研究

摘要

随着现代航空航天事业的快速发展，其产品除了在数量方面得到大幅提升，整体结构也将朝着重量轻、性能高和成本低的方向发展。超塑成形/扩散连接(简称SPF/DB)技术作为现代航空航天领域一种先进的制造技术，利用其制造的多层板结构具有重量轻、整体性能好等优点，现已成功应用于飞机的舱门、壁板、机身隔框以及航空发动机等。本文以TA15钛合金为原材料，进行了四层板结构的数值模拟和试验研究。
　　首先利用高温拉伸试验进行了TA15钛合金的超塑性能研究。采用普遍使用的等应变速率拉伸法，研究分析了TA15钛合金在不同温度和应变速率下的拉伸情况。结果表明:TA15钛合金在温度920℃，应变速率5.25×10-4s-1条件下具有最佳超塑性，延伸率可以达到1100％，应变速率敏感性指数m=0.57，K=1018，流变应力在15MPa左右。
　　针对带有加强筋结构的四层板特点，在进行简单四层板的数值模拟时，先对十字加强筋进行数值模拟，分析扩散接头宽度与芯板厚度之比r=b/t0对芯板减薄程度的影响。模拟结果表明:当r=2～3时，芯板减薄情况较为良好。在选取较合适的接头宽度后，对简单四层板进行了数值模拟，得出优化的P-t曲线用于后续试验研究。
　　最后在理论研究和数值模拟的基础上，进行了TA15钛合金四层板成形试验，并对成形件进行了表面质量检查、典型部位厚度分析以及扩散连接部位显微组织分析等。分析结果表明:经过数值分析优化后的成形零件表面质量完好，无沟槽、起皱等缺陷;整个成形件厚度分布较均匀，内部加强筋直立情况良好，三角形区域圆角半径小;板料之间连接情况良好，连接界面几乎完全消失。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 SPF／DB组合工艺研究进展

1．2．1 SPF／DB工艺发展概况

1．2．2 SPF／DB工艺发展趋势

1．3 超塑成形／扩散连接数值模拟技术研究进展

1．3．1 SPF及SPF／DB数值模拟技术发展概况

1．3．2 SPF及SPF／DB数值模拟技术研究趋势

1．4 课题的意义和主要研究内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 主要研究内容

第二章 超塑成形／扩散连接技术基本理论

2．1 超塑成形技术

2．1．1 超塑性定义

2．1．2 超塑性成形及其特点

2．1．3 超塑性的本构关系

2．1．4 超塑性变形过程中的组织变化

2．1．5 超塑性变形机理

2．2 扩散连接技术

2．2．1 扩散连接的分类及特点

2．2．2 扩散连接原理

2．2．3 扩散连接的三个阶段

2．2．4 影响扩散连接质量的主要工艺参数

2．3 超塑成形／扩散连接工艺

2．3．1 SPF／DB工艺原理及特点

2．3．2 SPF／DB典型结构

2．4 本章小结

第三章 TA15钛合金超塑性拉伸试验研究

3．1 引言

3．2 试验原材料及试验准备

3．3 研究内容

3．4 超塑性拉伸试验方案

3．5 最佳工艺参数测定与分析

3．5．1 超塑性拉伸试验方法和注意事项

3．5．2 最佳工艺参数测定

3．5．3 m值的测定与分析

3．6 本章小结

第四章 TA15四层板超塑成形／扩散连接数值模拟

4．1 引言

4．2 四层板SPF／DB数值模拟的关键要点

4．2．1 单元选择与网格划分

4．2．2 材料模型

4．2．3 接触与摩擦设置

4．2．4 超塑压力控制技术

4．3 简单四层板模拟方案与有限元参数设置

4．3．1 模拟方案

4．3．2 十字加强筋结构有限元参数设置

4．3．3 十字加强筋结构模拟分析

4．3．4 不同r值对芯板减薄程度的影响

4．4 四层板结构模拟过程及分析

4．4．1 有限元参数设置

4．4．2 四层板结构模拟分析

4．5 本章小结

第五章 TA15四层板SPF／DB工艺研究

5．1 引言

5．2 TA15四层板SPF／DB工艺准备

5．2．1 实验设备

5．2．2 成形模具

5．2．3 试验材料

5．3 TA15四层板SPF／DB试验过程

5．3．1 前期准备

5．3．2 四层板SPF／DB结构成形过程

5．4 TA15四层板成形件与结果分析

5．4．1 四层板SPF／DB成形件

5．4．2 成形件壁厚分析

5．4．3 成形件显微组织分析

5．5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文