【摘要】：航空發(fā)動機的制造是一項極其復雜的系統(tǒng)工程,其中最核心的部件當屬“葉片”,其性能直接影響發(fā)動機的性能和安全。TC6是兩相熱強鈦合金,可承受450℃的工作溫度,是航空發(fā)動機葉片的首選材料之一。針對目前國內通用的鈦合金葉片預成形工藝---自由鍛中存在的諸多問題,如工藝穩(wěn)定性差和生產效率低等。本課題提出利用高效綠色近凈成形工藝——楔橫軋成形鈦合金葉片預成形件,并圍繞TC6鈦合金葉片楔橫軋預成形中的高溫變形與組織演變、成形質量與力學性能等科學問題和技術難點展開研究。首先,通過等溫相變實驗和高溫壓縮實驗分別研究了TC6鈦合金的等溫相變行為、高溫變形行為和動態(tài)球化行為。結果表明:TC6鈦合金高溫變形應力-應變曲線是具有典型的加工硬化和流動軟化特征的單峰曲線。片狀alpha相的動態(tài)球化機制為:在局部應變作用下,軟beta相楔入片狀alpha相內部,形成高低角度的alpha/alpha相界面。當楔入深度足夠大時,片狀alpha相斷開形成獨立的相界面�；诖�,建立了一套考慮相變體積分數(shù)、片狀alpha相動態(tài)球化及位錯密度的TC6鈦合金統(tǒng)一本構模型,并通過遺傳算法確定模型中的材料常數(shù)。通過大型商用軟件DEFORM-3D數(shù)值模擬二次開發(fā)平臺,建立了TC6鈦合金楔橫軋成形的熱-力-微觀組織多場耦合有限元模型,并基于該模型研究了工藝參數(shù)對TC6鈦合金楔橫軋成形中微觀組織的影響規(guī)律。結果表明:增大初始成形溫度,軋件alpha相體積分數(shù)降低且均勻性降低。隨著斷面收縮率增大,軋件的alpha相體積分數(shù)降低但均勻性增加。軋輥轉速對alpha相體積分數(shù)分布影響較復雜。低轉速時,溫降占主導作用。隨轉速增大,塑性溫升逐漸占據(jù)主導作用,軋件的alpha相體積分數(shù)降低。成形角和展寬角不直接影響軋件的熱交換機制,因此對微觀組織演變影響較小。為使TC6鈦合金葉片具有良好的強塑性,通過響應面法對工藝參數(shù)進行優(yōu)化,在保證成形精度的前提下,TC6鈦合金的楔橫軋初始成形溫度應為870～890℃,軋輥轉速應為7～10 r/min。基于獲得的優(yōu)化工藝參數(shù),通過楔橫軋/等溫模鍛復合成形新工藝,成功試制航空發(fā)動機壓氣機用TC6鈦合金葉片。楔橫軋所得預成形件的微觀組織分布均勻,常溫力能測試所得最低抗拉強度和斷后伸長率分別為1107.03 MPa和14.3%。等溫模鍛實驗所得葉片充型完整,葉身及其邊緣不存在成形缺陷。葉片的初生alpha相體積含量均不低于30%,常溫抗拉強度和鍛后伸長率分別為1196 MPa和15.7%,且高溫(400℃)抗拉強度可達894 MPa,滿足當前航空發(fā)動機葉片的技術指標�？傊�,本文通過金屬材料基礎實驗、有限元模擬和楔橫軋成形實驗對TC6鈦合金楔橫軋成形中變形行為與微觀組織演變進行了研究,并通過楔橫軋/等溫模鍛復合成形新工藝,成功試制滿足微觀組織和力學性能等技術指標的TC6鈦合金航空發(fā)動機葉片,不僅豐富了鈦合金楔橫軋預成形的實踐理論與工藝基礎,同時也有望解決現(xiàn)階段鈦合金葉片預成形技術難題,為建立可工業(yè)化推廣的鈦合金葉片成形控性生產鏈提供了新方法和新思路。
【圖文】：

中有兩個典型的應用：飛機機身和飛機引擎。鈦合金在飛機機身的應用很廣，逡逑如機翼、尾錐、垂尾、壓力隔框等在飛機引擎中則主要用于發(fā)動機葉片、逡逑轉子中。圖２－２所示為最波音７７７飛機的ＧＥ－９０航空發(fā)動機中使用的大量鈦逡逑部件［８］。逡逑／ｖ邋？邋—ｙｌｒ逡逑非承壓機身逡逑ｃｍｍ邐＾邐？．Ｖ：邋＇邐＊＾１，逡逑圖２－１鈦合金在飛機機身上的應用分布逡逑壓氣機轉子《前勘逡逑欽增壓機轉子逡逑＼灥１邋灥ｐｉ逡逑圖２－２鈦材在ＧＥ－９０航空發(fā)動機上的應用逡逑ＴＣ６是ａ＋｜３型兩相鈦合金，具有密度小，可退火熱處理、良好的熱強性逡逑和熱穩(wěn)定性，是典型的高溫鈦合金。該合金的名義成分為Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｍｏ－ｌＦｅ，逡逑－２－逡逑

中有兩個典型的應用：飛機機身和飛機引擎。鈦合金在飛機機身的應用很廣，逡逑如機翼、尾錐、垂尾、壓力隔框等在飛機引擎中則主要用于發(fā)動機葉片、逡逑轉子中。圖２－２所示為最波音７７７飛機的ＧＥ－９０航空發(fā)動機中使用的大量鈦逡逑部件［８］。逡逑／ｖ邋？邋—ｙｌｒ逡逑非承壓機身逡逑ｃｍｍ邐＾邐？．Ｖ：邋＇邐＊＾１，逡逑圖２－１鈦合金在飛機機身上的應用分布逡逑壓氣機轉子《前勘逡逑欽增壓機轉子逡逑＼灥１邋灥ｐｉ逡逑圖２－２鈦材在ＧＥ－９０航空發(fā)動機上的應用逡逑ＴＣ６是ａ＋｜３型兩相鈦合金，具有密度小，可退火熱處理、良好的熱強性逡逑和熱穩(wěn)定性，是典型的高溫鈦合金。該合金的名義成分為Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｍｏ－ｌＦｅ，逡逑－２－逡逑
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V232.4

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本文編號：2650350