BTi-62421S合金高温变形行为及应用研究

摘要

本文选用一种新型近α高温钛合金，通过热模拟压缩试验、平面应变压缩试验，借助现代冶金分析技术，研究了BTi-62421S合金的高温变形力学行为、形变强化行为以及微观组织变化；采用数值模拟和试验研究等手段，系统分析了钛合金复杂结构件多向加载整体成形理论及可行性；丰富了钛合金塑性加工和挤压成形理论，对提高我国武器装备制造水平有着重要的意义。主要研究内容和结果如下：
　　（1）利用Gleeble-3800型热模拟试验机进行了等温恒应变速率压缩试验。分析了变形程度为70％时，变形温度、应变速率对BTi-62421S合金高温流动行为及组织演变的影响，通过变形激活能的计算和组织观察，揭示了其动态变形机制，并建立了该合金在（α+β）两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。
　　（2）采用平面应变压缩试验，研究了热加工工艺参数对BTi-62421S合金力学性能的影响，研究发现：在（α+β）两相区，采用等效应变大于等于0.80的变形可以明显提高合金的抗拉强度；在（α+β）两相区，等效应变小于0.8或者在β单相区变形都不利于提高抗拉强度。同时发现，变形后的合金硬度均比原始铸态提高。
　　（3）观察了热模拟压缩试验和平面应变压缩试验变形后的微观组织，分析了高温变形工艺参数对微观组织演变的影响，为控制零件的内部组织进而提高其机械性能奠定了基础。研究发现：在（α+β）相区变形时，片层组织主要发生等轴化演变，对BTi-62421S合金而言，片层组织的弯曲推进了片层组织等轴化，同时发现片层组织的等轴化需要在一定的变形量和变形温度条件下才会发生。片层组织等轴化的临界温度为900℃，临界等效应变为0.8。若考虑获得细小均匀的等轴组织，应该选择在（α+β）相区较高温度，较大变形量。
　　（4）结合热模拟压缩试样开裂状态，建立了“铸态 BTi-62421S合金压缩变形-T-开裂关系图”。根据平面应变压缩试验结果，建立了“BTi-62421S合金变形温度-变形量-抗拉强度关系图”，为使合金在成形时，提高工件性能，保证工件质量。
　　（5）针对某产品的端框件，设计了合理的毛坯形状与尺寸，提出了三种多向加载整体成形工艺方案，采用数值模拟技术对不同方案的成形过程进行对比，得出：先轴向挤压后侧向挤压方案较其它方案成形载荷少，最大载荷的持续时间短，对模具寿命影响小，金属变形比较均匀，挤压终了损伤值最小，出现裂纹可能性最低。
　　（6）采用BTi-62421S合金，对钛合金端框件整体成形进行了模具设计和试验研究。试验样件内腔各凸台充填饱满，未产生折叠、撕裂等缺陷，形状尺寸精度满足技术要求，表明：钛合金复杂构件“预制铸坯—加热—多向等温加载整体成形”工艺方案是可行的。同时，由铸造坯料直接成形、材料利用率可达83.4%，成形力的减小，力学性能的提高，最大可能地降低了生产成本，解决了钛合金复杂端框件整体成形的关键技术问题，丰富了钛合金成形理论，为钛合金端框件工程化应用奠定基础。

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第一章 综 述

1.1 课题研究背景

1.2钛合金概述

1.3 钛合金的热变形行为研究

1.4 钛合金精密成形技术研究

1.5 钛合金复杂零件的加工

1.6 本文选题意义及主要研究内容

第二章BTi-62421S合金变形力学行为研究

2.1 引言

2.2试验材料及方法

2.3 BTi-62421S合金热压缩试验结果

2.4 BTi-62421S合金本构模型

2.5 热变形机制

2.6 BTi-62421S合金热压缩变形的微观组织

2.7 本章小结

第三章BTi-62421S合金形变强化研究

3.1 引言

3.2 BTi-62421S合金平面应变压缩试验及性能测定试验

3.3 热加工参数对BTi-62421S合金力学性能的影响

3.4 BTi-62421S合金等温平面变形+退火后的微观组织

3.5 BTi-62421S合金(α+β)相区变形片层组织等轴化规律

3.6 本章小结

第四章 端框件整体成形数值模拟分析

4.1 引言

4.2挤压件成形工艺分析及方案设计

4.3有限元模型的建立和模拟条件

4.4毛坯优化

4.5加载方式优化

4.6 先轴向反挤后侧挤加载不同工艺参数下的模拟结果与分析

4.7本章小结

第五章 模具设计及试验验证

5.1 引言

5.2 钛合金端框件成形原理及方法

5.3模具设计与制造

5.4 钛合金端框件成形试验验证

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢