鈦鋁合金開坯過程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、γ-TiAl金屬間化合物由于比強度高、良好的抗蠕變及抗氧化能力等特點，成為航空、航天、能源及汽車工業(yè)極具競爭力的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。變形TiAl合金可以通過熱機械處理優(yōu)化組織，具有較大的性能改善空間。近年來，變形TiAl合金的成分設(shè)計及組織一性能關(guān)系研究已取得了較大進展，開坯成形方法也有廣泛研究。但由于TiAl合金鑄態(tài)粗大的層片組織及其本身具有的變形各向異性和TiAl合金開坯熱加工技術(shù)的研究尚不完善，開坯后材料中的組織均勻性尚不理想，制約

2、了其工程實用化的發(fā)展。因而，本文選題為“鈦鋁合金開坯過程的數(shù)值模擬研究”，通過大量的高溫熱壓縮實驗，建立了Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni(at.％)合金開坯過程的流變應(yīng)力本構(gòu)模型和變形組織預報模型，并將其嵌入商業(yè)化有限元模擬軟件，預測了TiAl合金錠坯在不同工藝參數(shù)條件下的開坯效果，為實際開坯工藝方案的制定提供參考。
　　 本文在Gleeble-1500熱模擬試驗機上進行了Ti-46.5Al-2.5V-1.

3、0Cr-0.3N1合金變形溫度1000℃-1200℃、應(yīng)變速率0.001s-1-1.0s·1范圍內(nèi)的高溫熱壓縮實驗，對獲得的高溫流變行為數(shù)據(jù)進行回歸處理，建立的高溫流變應(yīng)力本構(gòu)方程為σ=45.47(lnε+4.66×105/RT-30.34)，得出的變形激活能為466KJ/mol?？紤]實際工況構(gòu)建了TiAl合金錠坯降溫過程的溫度場模型，并進行了實驗驗證。對比有限元預測結(jié)果和實驗測量結(jié)果，在TiAl合金開坯實際操作時間(小于100秒)范圍

4、內(nèi)預測值與實測值誤差不大于10℃，則所建立的溫度場模型可用于TiAl合金有限元變形-傳熱的耦合模擬。根據(jù)熱壓縮試樣組織的定量金相統(tǒng)計結(jié)果，建立了TiAl合金三維再結(jié)晶圖。分析表明，該合金熱壓縮試樣中的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)和動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸在實驗溫度范圍內(nèi)受溫度的影響較小，主要取決于應(yīng)變速率和變形量。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，較低變形量的TiAl合金熱壓縮試樣組織中分布有光學顯微鏡下難以觀察到的小尺寸初始動態(tài)再結(jié)晶晶粒，但其最大體積分數(shù)不超過2％

5、，對定量金相實驗統(tǒng)計結(jié)果的準確性不會構(gòu)成顯著影響。因而，根據(jù)定量金相統(tǒng)計的結(jié)果建立了TiAl合金熱變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶百分數(shù)模型和動態(tài)再結(jié)晶品粒尺寸模型。已有實驗發(fā)現(xiàn)采用兩步鍛造工藝累積85％變形量，可得到TiAl合金變形組織均勻和完整性較好的鍛坯。為檢驗有限元數(shù)值模擬預測結(jié)果的可信度，同時分析累積變形量達85％兩步鍛造開坯實驗結(jié)果的必然性和偶然性，本文將所建立的流變應(yīng)力本構(gòu)模型和變形組織預報模型嵌入商業(yè)化有限元模擬軟件，對TiAl合

6、金兩步鍛造開坯效果進行了預測和實驗驗證。對比發(fā)現(xiàn)，有限元模擬預測的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)與實測統(tǒng)計結(jié)果的誤差最大為5.70％；動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與實測值的誤差不大于1.62μm，可見，所建立的組織預報模型基本可用。根據(jù)誤差分析，對TiAl合會變形組織預報模型進行系數(shù)修正，應(yīng)用修正后的組織預報模型預測的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)與實測統(tǒng)計結(jié)果的誤差減小到不超過1，97％：動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與實測值的誤差也減小至不大于0.35μm，即系數(shù)修正進一步提高

7、了有限元數(shù)值模擬預測結(jié)果的準確度。有限元模擬表明，累積達85％變形量的兩步鍛造坯料中應(yīng)變場、溫度場、應(yīng)變速度場的均勻程度已很高，坯料中90％以上區(qū)域的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)已超過80％，因而，兩步鍛造累積變形量達85％即可以達到理想的開坯效果有其必然性。
　　 本文所建立的流變應(yīng)力小構(gòu)模型和商業(yè)化有限元模擬軟件，分析了擠壓模具半錐角和擠壓比對TiAl合金熱擠壓等效應(yīng)變的影響，還進行了等通道彎角擠壓模具內(nèi)外圓角優(yōu)化設(shè)計。有限元模擬表明

8、，一定擠壓比條件下，擠出棒材中等效應(yīng)變的數(shù)值隨模具半錐角增加而升高：等效應(yīng)變的均勻性也隨著半錐角的增加而增大，但半錐角達60°后等效應(yīng)變的均勻性隨著半錐角的增大而略有降低。固定模具半錐角為60°條件下，獲得等效應(yīng)變分布均勻的TiAl合會擠出棒材要求擠壓比大于6，且擠壓比愈大，應(yīng)變的均勻程度愈高。應(yīng)用有限元模擬優(yōu)化設(shè)計的60°半錐角模具成功的進行了TiAl合金兩步擠壓開坯，獲得的累積擠壓比達14的擠壓棒材宏觀流線均勻，微觀組織細小均勻、動

9、態(tài)再結(jié)晶完全。經(jīng)有限元模擬優(yōu)化得出，TiAl合會經(jīng)內(nèi)角為5mm、外角為4mm的等通道彎角擠壓模具變形后具有較好的等效應(yīng)變均勻性。利用熱壓縮組織定量金相統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以Matlab7.0軟件構(gòu)造了TiAl合金熱變形組織預報的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back-Propagation Artificial Neural Network)模型，初步預測的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)與實測統(tǒng)計結(jié)果的平均誤差低于2.26％，動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與實測值的平均誤差則不高于