强流脉冲电子束钛合金表面改性数值模拟

摘要

钛合金由于具有高熔点、低密度、高强度等优良的性能，广泛的应用于航天航空、生物医学等行业，因此，得到人们越来越多的重视。但是高温易氧化、耐磨性差、难于提炼等缺点，限制了其应用范围。为了有效的降低钛合金的生产成本、提高其综合性能，研发新型的制造加工工艺迫在眉睫。强流脉冲电子束由于其对材料表面的特殊作用效果，已经成为一种应用广泛的表面改性技术。我们用强流脉冲电子束处理钛合金，钛合金表层出现马氏体结构，可以使其表面硬度、磨损性能得到提高。本文主要是利用数值模拟的方法并结合试验结果，分析强流脉冲电子束在诱发固态相变方面的效果及作用机理，优化钛合金表面改性的工艺参数，提高钛合金的表面性能，探索钛合金新的工业应用价值。
　　本文运用有限差分法和有限单元法，建立二维轴对称模型，对β-Cez钛合金在强流脉冲电子束作用下产生的动态温度场和应力场进行了数值模拟。计算时考虑了材料参数随着温度的变化和相变潜热的影响。研究结果如下:
　　1、强流脉冲电子束处理β-Cez钛合金的温度场显示:以能量密度为3 J/cm2单次脉冲处理，在材料表层产生大约1.0μm的重熔层，表层升降温速率高达109 K/s，在整个升降温的过程中温度变化速率不同，降温过程中的速率较低，有明显的凝固平台。同一时刻的温度梯度场显示，不同位置的温度梯度也存在较大的差异。由热胀冷缩原理可知，温度梯度会产生形变，材料克服形变会诱发应力。由温度场的影响区域和马氏体相变层的厚度对比可知，温度不是产生马氏体相变的直接原因。
　　2、运用有限元分析软件ANSYS对强流脉冲电子束处理β-Cez钛合金的应力场进行数值模拟，计算结果显示:在材料加热过程中，温度在深度方向上的不均匀变化会产生准静态热应力，试样表层0～2.4μm的范围内是压应力，最大值约为2.60 GPa，次表层2.4～12μm的深度内有大于100 MPa的拉应力。由马氏体相变诱发应力与温度的关系得到准静态热应力值不足以诱发深度为12μm的马氏体相变层，而马氏体相变最大的触发应力值与准静态最大压应力值相当，说明马氏体相变源于准静态热应力引发的冲击热应力。通过马氏体相变触发应力和深度的分布关系给出冲击热应力在β-Cez钛合金中的衰减系数为173 mm-1。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 强流脉冲电子束表面改性技术

1．1．1 强流脉冲电子束表面改性技术的特点

1．1．2 电子束表面改性研究现状

1．2 钛及钛合金

1．2．1 钛及钛合金的概述

1．2．2 钛合金的研究现状

1．3 本论文研究内容

2 有限元方法的应用

2．1 有限元方法的简介

2．2 有限元软件ANSYS

2．3 ANSYS热分析

2．3．1 稳态热分析

2．3．2 瞬态热分析

2．4 热应力分析

3 强流脉冲电子束β-Cez钛合金温度场的数值模拟

3．1 强流脉冲电子束的能量分布函数

3．1．1 强流脉冲电子束能量与时间的关系

3．1．2 强流脉冲电子束能量深度方向分布

3．1．3 强流脉冲电子束能量径向高斯分布

3．1．4 强流脉冲电子束总能量分布

3．2 β-Cez钛合金温度场的数值计算结果

3．3 小结

4 β-Cez钛合金应力场的数值模拟

4．1 β-Cez钛合金准静态热应力的估算

4．2 β-Cez钛合金ANSYS应力场

4．3 数值计算稳定性分析

4．3．1 交替隐式差分法的稳定性条件

4．3．2 ANSYS瞬态热分析的稳定性条件

4．4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢