TC11钛合金叶轮类复杂构件等温成形规律与数值模拟

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。

目录

TC11 钛合金叶轮类复杂构件等温成形规律与数值模拟

THE ISOTHERMAL FORMING LAW AND NUMERICAL SIMULATION OF TC11 ALLOY IMPELLER COMPONENT WITH COMPLEX SHAPE

摘要

Abstract

Contents

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

1.4 金属体积成形有限元模拟技术及其应用

1.5 精密塑性体积成形技术及其应用

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

2.4 TC11 钛合金高温变形组织演变规律研究

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

3.3 TC11 合金高温变形加工图

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

4.3 TC11 钛合金叶轮成形过程模拟结果及分析

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

5.3 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

6.5 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

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历