【摘要】：采用Gleeble-1500D熱模擬壓縮試驗(yàn)機(jī),對(duì)熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金和等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金進(jìn)行高溫?zé)釅嚎s試驗(yàn),研究材料的高溫流變行為;采用數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了鈦合金端框復(fù)雜結(jié)構(gòu)件粉末體預(yù)鍛成形階段及多向加載成形階段的密度分布規(guī)律。主要工作有:針對(duì)TC4鈦合金粉末進(jìn)行熱等靜壓和等離子放電燒結(jié)的致密化成形,分析得到的熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金和等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金在溫度為850~1050℃、應(yīng)變速率為0.001~5s~(-1)的條件下進(jìn)行高溫?zé)釅嚎s變形時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線特征,建立了適用于熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金和等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金高溫流變行為的Arrhenius方程和DMM加工圖并分析研究了其微觀組織形貌的演變規(guī)律;使用Deform-3D軟件進(jìn)行TC4鈦合金端框復(fù)雜結(jié)構(gòu)件預(yù)鍛成形及多向加載成形的數(shù)值模擬研究,分析不同加載方式及加工參數(shù)下熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金及等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金端框粉末體致密化程度及密度分布規(guī)律,找到最佳加工工藝手段,系統(tǒng)分析了不同方案下鈦合金復(fù)雜端框結(jié)構(gòu)件多向加載整體成形的效果及可行性。研究結(jié)果表明:(1)熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金和等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金在溫度850~1050℃、應(yīng)變速率0.01~0.1 s~(-1)的高溫變形條件下進(jìn)行熱壓縮時(shí)流變應(yīng)力曲線一開始出現(xiàn)加工硬化,后呈動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型,峰值應(yīng)力均隨著應(yīng)變速率的增大而增大、隨著變形溫度的升高而降低;熱壓縮完成后兩種狀態(tài)的TC4鈦合金均出現(xiàn)動(dòng)態(tài)軟化現(xiàn)象,軟化的主要機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)。(2)熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金熱變形激活能的值為548.262kJ/mol,求得其Arrhenius本構(gòu)方程和流變應(yīng)力σ的Z參數(shù)表達(dá)式為:(?)通過驗(yàn)證分析得到平均相對(duì)誤差僅為6.77%,證明所建立的Arrhenius本構(gòu)方程能夠準(zhǔn)確地分析預(yù)測(cè)熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力。(3)等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金熱變形激活能的值為747.403kJ/mol,求得其Arrhenius本構(gòu)方程和流變應(yīng)力σ的Z參數(shù)表達(dá)式為:(?)通過驗(yàn)證分析得到平均相對(duì)誤差僅為5.66%,證明所建立的Arrhenius本構(gòu)方程能夠準(zhǔn)確地分析預(yù)測(cè)等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力。(4)利用動(dòng)態(tài)材料模型(DMM)建立TC4鈦合金的熱加工圖,并結(jié)合微觀組織分析得出熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金最佳加工區(qū)間為溫度850~950℃,應(yīng)變速率0.01~0.1s~(-1),等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金最佳加工區(qū)間為溫度880~940℃,應(yīng)變速率0.01~0.1s~(-1)。(5)數(shù)值模擬分析表明,熱等靜壓態(tài)及等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金端框預(yù)鍛成形應(yīng)采用內(nèi)外徑同時(shí)加載的多向加載方式,能夠得到致密化程度較好、密度分布均勻的端框坯料粉末體;TC4鈦合金端框多向加載成形階段,軸向側(cè)向同時(shí)擠壓比先軸向擠壓后側(cè)向擠壓和先側(cè)向擠壓后軸向擠壓的加載方式成形所得到的端框結(jié)構(gòu)件擁有更好的密度分布均勻性,在溫度為910℃、擠壓速度為1.5mm/s的參數(shù)條件下采用軸向側(cè)向同時(shí)擠壓的多向加載方式是加工熱等靜壓態(tài)TC4鈦合金端框的最合適工藝手段;在溫度為920℃、擠壓速度為1.5mm/s的參數(shù)條件下采用軸向側(cè)向同時(shí)擠壓的多向加載方式是加工等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金端框的最合適工藝手段。由應(yīng)力分析可知,采用等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金作為端框結(jié)構(gòu)件的材料,加工較為省力。因此,以等離子放電燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金為材料,在溫度為920℃、擠壓速度為1.5mm/s的參數(shù)條件下采用軸向側(cè)向同時(shí)擠壓的多向加載方式是端框結(jié)構(gòu)件最合適的加工方案。
【圖文】：

微觀組織是由α相固溶體組成的單相合金就被稱為α-鈦合金，隨著溫度的變化波動(dòng)相對(duì)較小，不論是在一般的低溫下還度下，均呈現(xiàn)α相，組織很穩(wěn)定，且與純鈦相比有著更高的氧化能力，需要在高溫環(huán)境下工作方能發(fā)揮其出色的力學(xué)性并不高，那么此時(shí)若想使α-鈦合金的力學(xué)性能得到進(jìn)一步的效處理的方法來實(shí)現(xiàn)；β-鈦合金的微觀組織則主要是由β相較差，并不太適宜在高溫高壓的惡劣工作環(huán)境下使用，而在色的力學(xué)強(qiáng)度性能，因此更適合作為常溫下的鈦合金材料選密度較小，重量很輕，適用于作為原材料來制造單位強(qiáng)度高境適應(yīng)性強(qiáng)大的零件結(jié)構(gòu)件，，因此被廣泛應(yīng)用于國(guó)防武器、制造、核能動(dòng)力、醫(yī)學(xué)器具、精密儀表、航空航天飛行器設(shè)是一種重要的金屬合金，對(duì)于中國(guó)工業(yè)水平的發(fā)展和新時(shí)期重大意義。

了較為成熟的科研理論體系和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，為多向加生產(chǎn)技術(shù)推進(jìn)作出重大貢獻(xiàn)，為金屬多向加載成形領(lǐng)域奠定 TC4 鈦合金研究現(xiàn)狀金，即 Ti-6Al-4V，屬于(α+β)型鈦合金，熱導(dǎo)率低，比強(qiáng)度合力學(xué)加工性能，是目前為止工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的鈦比較，不僅同時(shí)具備了鈦合金的諸多共同優(yōu)點(diǎn)，而且具有自C4 鈦合金于 1954 年首次被合成研制成功，由于其出眾的材應(yīng)用于對(duì)材料性能要求極高的航空飛行器制造領(lǐng)域，之后隨，TC4 鈦合金的各種優(yōu)良屬性逐漸被揭示發(fā)掘，因此漸漸被生產(chǎn)之中，其產(chǎn)量也逐年遞增，其自身產(chǎn)量約占鈦合金總產(chǎn)加工件中的占比更是高達(dá) 95%以上[26]。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG379;TF125.22

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本文編號(hào)：2652458