鈦合金等溫鍛用K403模具材料特性及失效研究.pdf

1、鈦合金大型整體構(gòu)件易于實(shí)現(xiàn)裝備的輕量化、高性能、高可靠性、功能高效化而在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。局部加載等溫鍛造技術(shù)為解決該類構(gòu)件的成形制造能力不足問題、成形成性一體化提供了新的途徑。然而，在鈦合金局部加載等溫鍛造過程中，模具長時(shí)間處于高溫?zé)岜┞叮洳牧衔⒂^組織和性能將發(fā)生變化；同時(shí)模具受力復(fù)雜且不均勻，易引發(fā)模具產(chǎn)生局部變形甚至開裂失效，這嚴(yán)重制約著成形過程的實(shí)現(xiàn)和成形質(zhì)量的保證。因此如何實(shí)現(xiàn)鈦合金大型整體構(gòu)件局部加載等溫鍛造模具的

2、失效預(yù)測，提高模具使用可靠性和壽命成為迫切需要解決的關(guān)鍵問題。為此，本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了鎳基合金模具材料高溫?zé)岜┞?、高溫變形及斷裂行為，進(jìn)而對鈦合金大型整體構(gòu)件局部加載等溫鍛造過程、模具的應(yīng)力分析及失效預(yù)測、模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)的問題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　采用熱暴露試驗(yàn)、室溫拉伸試驗(yàn)，研究揭示了熱暴露溫度、時(shí)間對用作鈦合金局部加載等溫鍛造模具材料的K403鎳基合金微

3、觀組織演變和性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)K403合金在800~950℃溫度下熱暴露50~200h后，仍為典型的樹枝晶組織，MC碳化物部分發(fā)生分解，強(qiáng)化相γ'相聚集長大，且隨著熱暴露溫度的提高和熱暴露時(shí)間的延長，γ'相粗化現(xiàn)象越顯著；在850℃和900℃下熱暴露后，有少量針狀有害的TCP相（σ相）析出，且析出量隨著熱暴露時(shí)間的延長而增多；高溫?zé)岜┞逗蠛辖鸬拿x屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均下降，其主要原因是γ'強(qiáng)化相的聚集粗化和TCP相的析出。
　　

4、通過熱模擬壓縮和拉伸試驗(yàn)研究獲得了變形溫度、應(yīng)變速率以及應(yīng)力狀態(tài)對K403鎳基合金高溫變形行為和微觀組織的影響規(guī)律，探明了合金的高溫?cái)嗔褭C(jī)制，建立了K403鎳基合金高溫?cái)嗔涯Ｐ?。結(jié)果表明：K403合金高溫拉伸變形時(shí)，隨著變形溫度的升高、應(yīng)變速率和應(yīng)力三軸度的減小，合金的峰值應(yīng)力和斷裂應(yīng)力降低，而斷面收縮率和斷裂應(yīng)變則隨之而增大；溫度低于900℃時(shí)，K403合金拉伸斷口以準(zhǔn)解理斷裂為主，隨著變形溫度的升高，斷裂類型由準(zhǔn)解理斷裂向沿晶斷裂轉(zhuǎn)

5、變。
　　研究提取了反映鈦合金大型整體構(gòu)件高筋薄腹板特點(diǎn)的兩類筋板特征結(jié)構(gòu)件，探明了特征結(jié)構(gòu)件和具有代表性的大型整體隔框件局部加載等溫鍛造成形的變形行為和模具應(yīng)力分布特征，確定了模具的危險(xiǎn)區(qū)域，并揭示了模具幾何參數(shù)對模具應(yīng)力的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：大型整體隔框件局部加載等溫鍛造模具的危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橄履Ｍ苟钔鈧?cè)筋條的型腔外側(cè)圓角區(qū)域，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；增大模具型腔凹圓角半徑和模鍛斜度，可一定程度上降低模具應(yīng)力；增大模具壁厚則可顯著降低模