本文關(guān)鍵詞：熱等靜壓整體近凈成形Ti6A14V葉盤有限元模擬與性能研究

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【摘要】：熱等靜壓工藝(hot isostatic pressing,HIP)是能滿足新一代航空發(fā)動(dòng)零件性能要求的重要粉末冶金制造技術(shù),適合用來成形航空鈦、鎳合金零件。其成形制件的密度、尺寸和性能是靠準(zhǔn)確設(shè)計(jì)的包套和型芯以及工藝參數(shù)來確保的,數(shù)值模擬能夠預(yù)測(cè)粉末體的變形情況驗(yàn)證包套和型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),性能的表征能夠幫助確定合適的工藝參數(shù)。研究HIP數(shù)值模擬和性能表征能從控形和控性上保證零件的質(zhì)量。本文以Ti6Al4V合金粉末作為成形材料,針對(duì)帶有葉冠的航空葉盤,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的包套和型芯方案進(jìn)行了HIP試驗(yàn),成形出了質(zhì)量?jī)?yōu)良的葉盤零件。探討了熱等靜壓成形Ti6Al4V粉末葉盤的有限元模擬過程,包括:粉末和包套的屈服準(zhǔn)則選取、本構(gòu)方程選定、有限元列式和邊界條件確定等,同時(shí),將模擬結(jié)果和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了模擬方法的準(zhǔn)確性。此外,在同時(shí)升溫升壓(工藝1)和先升溫后升壓(工藝2)下分別進(jìn)行了熱等靜壓試驗(yàn),并觀測(cè)了制件的微觀組織、測(cè)試?yán)煨阅芎头治隽藬嗫谛蚊惨约皵嗔褭C(jī)理;測(cè)試疲勞極限和分析了疲勞斷口以及疲勞失效機(jī)理;測(cè)試了室溫沖擊韌性等。另外,針對(duì)帶有復(fù)雜扭曲結(jié)構(gòu)的零件HIP成形難致密的問題,提出了熱等靜壓兩步成形法,并提出了數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)合的方法確定工藝參數(shù)。將兩步法成形的制件和傳統(tǒng)HIP法進(jìn)行對(duì)比,表征工藝性能。本文主要得到以下結(jié)論:(1)粉末材料適用于基于Von Mises屈服準(zhǔn)則進(jìn)行修正的多孔結(jié)構(gòu)雙參數(shù)模型。使用Perzyna本構(gòu)模型計(jì)算Ti6Al4V合金粉末HIP成形中的粘塑性形變行為,包套在X和Y上的變形的模擬結(jié)果均稍大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在徑向上的最大誤差為4%,軸向上的最大誤差為2.27%,誤差在令人滿意的范圍內(nèi),能夠較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)零件的最終形狀。(2)兩種HIP工藝下合金均主要由灰(黑)色α相和白色β相兩相組成,β相沿α相邊界分布。工藝1下能觀測(cè)到較明顯的呈連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的等軸晶區(qū),工藝2下則沒有。工藝1下Ti6Al4V合金的抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σ0.2分別為970MPa和876MPa;工藝2的分別為980MPa和880MPa。制件室溫拉伸性能相均高于同規(guī)模Ti6Al4V鑄件水平,與同規(guī)模Ti6Al4V鍛件相當(dāng),工藝2的性能比工藝1略有提高。(3)工藝1試樣的疲勞極限為350MPa,工藝2為450MPa,兩種工藝的疲勞極限壽命均與航空鍛件標(biāo)準(zhǔn)(539Mpa,f=130Hz,棒材)有一定差距,工藝2下制件疲勞性能較工藝1有較大提升。斷口分析表明:疲勞裂紋從顆粒邊界萌生。裂紋源區(qū)氧含量高于擴(kuò)展區(qū),表明顆粒氧含量雜質(zhì)影響冶金結(jié)合,氧含量較高的區(qū)域易形成缺陷萌生疲勞裂紋。優(yōu)化后的工藝2能夠促進(jìn)冶金結(jié)合,提高疲勞性能。(4)對(duì)兩種工藝下成形制件進(jìn)行室溫下的夏比沖擊韌性測(cè)試,測(cè)出工藝1制件沖擊韌性為44.2 J/cm2,工藝2則為55.1 J/cm2,,大大優(yōu)于工藝1的沖擊韌性。(5)熱等靜壓兩步成形法成形高溫合金零件可以在保證控形效果的基礎(chǔ)上,使零件難以致密處達(dá)到致密,保證零件性能均一性。熱等靜壓兩步成形法的首次工藝參數(shù)通過有限元模擬的方法確定;二次HIP工藝參數(shù)根據(jù)成形試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果確定。兩步成形法制件組織顆粒邊界消失,斷口形貌未見近球狀凹坑,粉末冶金結(jié)合牢固。拉伸性能達(dá)到同規(guī)模鍛件水平,稍微優(yōu)于傳統(tǒng)HIP工藝。綜上,本文選擇了合適的粉末HIP屈服準(zhǔn)則和Perzyna本構(gòu)模型,模擬效果準(zhǔn)確。同時(shí)通過表征拉伸、疲勞、沖擊性能,得出先升溫后升壓HIP工藝下制件性能總體優(yōu)于同時(shí)升溫升壓HIP的結(jié)論。此外還為兩步HIP法成形復(fù)雜難致密零件提供了參考。
【關(guān)鍵詞】：熱等靜壓 近凈成形 數(shù)值模擬 Ti6Al4V 拉伸性能 疲勞性能 兩步法
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V263.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-27
• 1.1 引言12-13
• 1.2 熱等靜壓近凈成形技術(shù)13-16
• 1.3 熱等靜壓技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4 HIP數(shù)值模擬國內(nèi)外現(xiàn)狀17-21
• 1.5 鈦合金及其在HIP領(lǐng)域的應(yīng)用21-24
• 1.6 課題來源及主要研究?jī)?nèi)容24-27
• 2 Ti6A14V整體葉盤零件模擬及試驗(yàn)27-48
• 2.1 引言27-28
• 2.2 擬成形的葉盤零件包套和型芯設(shè)計(jì)28-30
• 2.3 Ti6A14V合金HIP有限元模擬30-36
• 2.4 葉盤數(shù)值模擬過程36-42
• 2.5 葉盤成形試驗(yàn)及結(jié)果對(duì)比42-46
• 2.6 本章小結(jié)46-48
• 3 熱等靜壓成形Ti6A14V制件性能與分析48-62
• 3.1 引言48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法48-51
• 3.3 微觀組織51
• 3.4 拉伸性能與斷51-52
• 3.5 疲勞性能與疲勞斷52-58
• 3.6 沖擊性能58-60
• 3.7 本章小結(jié)60-62
• 4 Ti6A14V合金整體零件的兩步法熱等靜壓近凈成形工藝探究62-69
• 4.1 引言62
• 4.2 兩步法成形工藝62-65
• 4.3 制件性能65-67
• 4.4. 本章小結(jié)67-69
• 5 結(jié)論與展望69-72
• 5.1 全文總結(jié)69-70
• 5.2 研究展望70-72
• 致謝72-73
• 參考文獻(xiàn)73-80
• 附錄 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文與專利80

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