钛合金零件热等静压整体净近成形的数值模拟及实验研究

摘要

热等静压（Hot Isostatic Pressing,HIP）工艺能成形复杂高性能零部件，特别适用于航空航天高性能钛合金零部件的成形。但粉末态材料在热等静压复杂的高温高压热力耦合的作用下，形变、密度度、应力场等关键因素难预测，从而导致热等静压技术工程化应用发展缓慢。数值模拟分析能够有效分析HIP过程粉末体的形变、相对密度、应力场等变化规律。利用有限元分析指导实际生产中HIP的工艺选择、包套制造，能节约HIP成形复杂零件的成本并保证零件的成形质量。本文以Ti6Al4V合金材料为研究对象，基于MSC.MARC平台建立了粉末HIP有限元模型。系统模拟了钛合金方块件HIP过程的相对密度、几何应变、柯西应力场以及温度场变化规律。之后进行了HIP实验验证了数值模拟的准确性。最后本文模拟分析了三种HIP典型工艺下可变形型芯的变形情况，提出了利用可变形控形型芯成形叶盘复杂件的HIP模具优化方案。全文主要结论如下：
　　（1）在HIP成形过程初期，粉末整体致密度较低。之后随着外界压力突破包套屈服极限，粉末体流动速度迅速增长，整体致密度飞速提升。随着粉末体致密化程度越来越高其流动速度慢慢下降。直到在HIP后期降温降压阶段，粉末体由于受不均匀热应力作用整体发生复杂不规则流动，其整体致密化程度也进一步提升。
　　（2）HIP初期和中期粉末体整体应力场不大，而在HIP降温降压开始时粉末体因不均匀热应力作用产生很大的残余应力直到HIP工艺结束。粉末体应力场变化和温度场密切相关。温度梯度变化越大，应力变化就越大。粉末体残余应力分布沿着中心到边角区域呈先增大后减小的规律。
　　（3）HIP零件轮廓和模拟轮廓的误差在6.3％以内，平均轮廓误差为2.883%。相对密度测量结果和模拟结果误差控制在4.8%以内，内部区域的模拟结果比较准确和测量值误差在2%以内。这说明了数值模拟的可靠性。边角部位由于粉末难变形特性相对密度不高难以达到全致密。X残余应力衍射得到的零件应力场分布规律和数值模拟的应力场分布规律相一致，从边角到中心区域残余应力呈先增大后减小的趋势。数值模拟和实验测量得到的残余应力误差在100MPa左右。
　　（4）HIP钛合金零件的内部组织由α和β相组织组成。其中α相以片状形态均匀分布在零件内部，β相组织呈板条状分布在α相之间。整体组织晶粒细小，特别是在边角区域，晶粒粒径仅有10um左右。边角区域还存在大量等轴α相组织。
　　（5）三种典型HIP工艺下可变形型芯位移变化最严重的阶段在升温升压后期和降温降压阶段初期，而在保温保压阶段，模具型芯位移变化量不大。型芯节点的位移变化越大由此产生的形状变化也就越严重。其中先升温后升压工艺控形型芯关键部位的总体变形量最小，其叶片ab和叶片cd的变形量分别为1.1047mm和0.2650mm。设计随形模具并在先升温后升压工艺下进行复杂零件的HIP实验相比传统的模具设计方法和工艺方案能大大提高零件精度，其中x方向型芯关键部位变形量仅仅在0.07mm左右，而在y方向型芯部位的最大变形量在0.6mm左右，相比原设计方案x、y方向的形变量分别减少了71%和45%。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 钛合金及其应用现状

1.3 HIP净近成形技术及其设备的发展现状

1.4 HIP数值模拟国内外研究现状

1.5 课题来源及研究内容

2 粉末HIP有限元模型及实现方法

2.1 前言

2.2 HIP粉末屈服准则及材料参数确定

2.3 HIP本构方程实现方法

2.4 HIP热机耦合实现方法

2.5 HIP接触求解实现方法

2.6 HIP几何非线性实现方法

2.7 本章小结

3 Ti6Al4V粉末HIP数值模拟及实验分析

3.1 模拟及实验方案设计

3.2 数值模拟结果分析

3.3 实验验证分析

3.4 微观组织分析

3.5 本章小结

4 三种HIP工艺对可变形型芯控形影响的模拟研究

4.1 前言

4.2 HIP模具设计方案

4.3 HIP工艺方案

4.4 模拟结果分析

4.5 叶盘控形模具优化

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文小结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文与专利

发表学术论文

申请专利