TA15钛合金热强力旋压组织演化规律及强化机理研究

摘要

TA15钛合金是一种典型的近α钛合金，具有比强度高、热稳定性好、抗蠕变性能优异和可焊性强等优点，被广泛地应用于航空航天工业中关键零部件的制造。强力旋压是典型的局部加载、局部成形工艺，具有省力、省料和工装简单等优点，是制造大型薄壁筒形件的最有效方法之一，已广泛应用于航空航天及兵器工业领域。本文针对钛合金热强力旋压成形过程中微观组织和性能控制的瓶颈问题，建立了TA15钛合金热强旋微观组织及性能的BP神经网络预测模型，研究了TA15钛合金热强旋微观组织和织构的演化规律，揭示了其对热强旋筒形件性能的强化机理。
　　开展了平面应变热压缩和筒形件热强旋对比实验，分析了平面应变热压缩微观组织演化特点。采用图像分析软件对微观组织中的晶粒尺寸和再结晶分数进行定量表征，并通过显微硬度计测试了显微硬度。系统研究了TA15钛合金平面应变热压缩工艺参数、微观组织和力学性能之间的关系，建立了TA15钛合金热强旋微观组织和力学性能的BP神经网络预测模型。该模型预测误差小于13％，表明通过平面应变热压缩实验来模拟热强旋微观组织演化具有可行性，可以用于揭示TA15钛合金热强旋工艺参数对微观组织和力学性能的影响。
　　通过TEM和EBSD等手段研究了TA15钛合金热强旋微观组织演化规律。定量分析了不同减薄率强力旋压后，晶粒尺寸、晶粒长径比和晶界密度等的变化规律。结果表明，随着减薄率的增加，TA15钛合金微观组织形状发生显著改变。原始粗大的初生α相晶粒沿轴向显著伸长，形成纤维状组织。次生α相晶粒由原始的板条状演化成细小的等轴状，晶粒得到明显细化。微观组织中不同类型晶界的数量及分布发生显著变化。当减薄率小于19.7%时，小角度晶界和中等角度晶界主要分布在原始粗大的初生α相内及次生α相板条之间。当减薄率增至81.1%时，大量小角度和中等角度晶界转变为大角度晶界，引起旋压微观组织的细化。TA15钛合金热强力旋压过程中，初生α相的变形机制主要是滑移和孪生。当减薄率小于19.7%时，孪晶的主要类型是{1012}<1011>型拉伸孪晶。次生α相板条等轴化引起合金软化，提出了TA15钛合金次生α相在热强旋过程中的球化模型。
　　通过压缩实验研究了微观组织和织构对热强旋TA15钛合金力学性能的影响。热强旋TA15钛合金的屈服强度随晶粒尺寸减小而增加，随初生α相长径比增大而增加，随新生细小晶粒的体积分数增大而增加。随着旋压道次及减薄率的增加，TA15钛合金晶粒晶体取向择优分布明显。当减薄率达到81.1%时，TA15钛合金中c轴与ND取向差小于20°的晶粒数超过总数的45%，平均取向差从初始状态67.5°减小到28.1°。粗大的初生α相主要发生回复，晶粒被压扁拉长，形成较强的{0001}型双峰或多峰织构，略沿?TD扩散。次生α相晶粒明显细化，发生明显的动态再结晶，晶粒呈现显著的{0001}型再结晶织构，并与初生α相晶体取向分布保持很大程度的一致性。TA15钛合金热强旋筒形件晶体取向有明显的择优方向，轴向{0001}<1120>基面滑移系Schmid因子明显小于环向，导致热强旋TA15钛合金筒形件有明显的各向异性，轴向屈服强度高于环向。
　　开展了单向拉伸、双向拉伸和液压胀形实验测试TA15钛合金热强旋筒形件的力学性能。单向拉伸实验表明旋压筒形件具有明显的各向异性：轴向拉伸屈服强度高于环向，延伸率低于环向。双向拉伸实验表明筒形件受轴向应力与环向应力比为1:2时，屈服强度明显高于单向拉伸屈服强度。室温下轴向和环向双向强化效应分别为10.2%和7.0%，500℃下轴向和环向双向强化效应分别为11.7%和8.9%。旋压筒形件液压胀形实验结果与双向拉伸实验结果吻合。通过双向拉伸实验，预测TA15钛合金强旋筒形件在500℃服役时，环向应力达到1106MPa筒形件将发生屈服。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 钛及钛合金

1.3 国内外强力旋压技术研究现状

1.4 钛合金变形织构研究

1.5 各向异性材料双向强化效应研究

1.6 EBSD技术在组织演变研究中的应用

1.7 本文的主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.3 材料微观组织结构表征

2.4 材料的性能测试

第3章 TA15钛合金热强旋组织及性能预测模型研究

3.1 引言

3.2 TA15钛合金热强旋组织分析

3.3 TA15钛合金热压缩的微观组织演变

3.4 变形参数对热压缩微观组织和性能影响

3.5 BP神经网络的实现

3.6 BP神经网络预测模型验证

3.7 本章小结

第4章 TA15钛合金热强旋组织演化及机理研究

4.1 引言

4.2 TA15钛合金筒形件热强旋实验设计及结果

4.3 TA15钛合金热强旋过程中微观组织演化及定量表征

4.4热强旋过程中TA15钛合金变形机理

4.5 本章小结

第5章 TA15钛合金热强旋组织强化效应研究

5.1 引言

5.2 TA15钛合金热强旋组织性能测试

5.3 微观组织对TA15钛合金强化的影响

5.4 晶体取向对TA15钛合金强化的影响

5.5 旋压织构对TA15钛合金强化的影响

5.6 再结晶织构对TA15钛合金强化的影响

5.7 本章小结

第6章 TA15钛合金热强旋筒形件双向强化研究

6.1 引言

6.2 筒形件受力分析

6.3 单向拉伸实验

6.4 双向拉伸实验

6.5 液压胀形实验

6.6 双向强化效应研究

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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