鈦鋁合金開(kāi)坯過(guò)程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、γ-TiAl金屬間化合物由于比強(qiáng)度高、良好的抗蠕變及抗氧化能力等特點(diǎn)，成為航空、航天、能源及汽車工業(yè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。變形TiAl合金可以通過(guò)熱機(jī)械處理優(yōu)化組織，具有較大的性能改善空間。近年來(lái)，變形TiAl合金的成分設(shè)計(jì)及組織一性能關(guān)系研究已取得了較大進(jìn)展，開(kāi)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(kāi)坯熱加工技術(shù)的研究尚不完善，開(kāi)坯后材料中的組織均勻性尚不理想，制約

2、了其工程實(shí)用化的發(fā)展。因而，本文選題為“鈦鋁合金開(kāi)坯過(guò)程的數(shù)值模擬研究”，通過(guò)大量的高溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)，建立了Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni(at.％)合金開(kāi)坯過(guò)程的流變應(yīng)力本構(gòu)模型和變形組織預(yù)報(bào)模型，并將其嵌入商業(yè)化有限元模擬軟件，預(yù)測(cè)了TiAl合金錠坯在不同工藝參數(shù)條件下的開(kāi)坯效果，為實(shí)際開(kāi)坯工藝方案的制定提供參考。
　　 本文在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)，對(duì)獲得的高溫流變行為數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)際工況構(gòu)建了TiAl合金錠坯降溫過(guò)程的溫度場(chǎng)模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)比有限元預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，在TiAl合金開(kāi)坯實(shí)際操作時(shí)間(小于100秒)范圍

4、內(nèi)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差不大于10℃，則所建立的溫度場(chǎng)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(jì)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸在實(shí)驗(yàn)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(xué)顯微鏡下難以觀察到的小尺寸初始動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，但其最大體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)2％

5、，對(duì)定量金相實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性不會(huì)構(gòu)成顯著影響。因而，根據(jù)定量金相統(tǒng)計(jì)的結(jié)果建立了TiAl合金熱變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)模型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶品粒尺寸模型。已有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用兩步鍛造工藝?yán)鄯e85％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(yàn)有限元數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度，同時(shí)分析累積變形量達(dá)85％兩步鍛造開(kāi)坯實(shí)驗(yàn)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(yù)報(bào)模型嵌入商業(yè)化有限元模擬軟件，對(duì)TiAl合

6、金兩步鍛造開(kāi)坯效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有限元模擬預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的誤差最大為5.70％；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與實(shí)測(cè)值的誤差不大于1.62μm，可見(jiàn)，所建立的組織預(yù)報(bào)模型基本可用。根據(jù)誤差分析，對(duì)TiAl合會(huì)變形組織預(yù)報(bào)模型進(jìn)行系數(shù)修正，應(yīng)用修正后的組織預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的誤差減小到不超過(guò)1，97％：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與實(shí)測(cè)值的誤差也減小至不大于0.35μm，即系數(shù)修正進(jìn)一步提高

7、了有限元數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。有限元模擬表明，累積達(dá)85％變形量的兩步鍛造坯料中應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)變速度場(chǎng)的均勻程度已很高，坯料中90％以上區(qū)域的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)已超過(guò)80％，因而，兩步鍛造累積變形量達(dá)85％即可以達(dá)到理想的開(kāi)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(duì)TiAl合金熱擠壓等效應(yīng)變的影響，還進(jìn)行了等通道彎角擠壓模具內(nèi)外圓角優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(dá)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(huì)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(jì)的60°半錐角模具成功的進(jìn)行了TiAl合金兩步擠壓開(kāi)坯，獲得的累積擠壓比達(dá)14的擠壓棒材宏觀流線均勻，微觀組織細(xì)小均勻、動(dòng)

9、態(tài)再結(jié)晶完全。經(jīng)有限元模擬優(yōu)化得出，TiAl合會(huì)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(jì)數(shù)據(jù)，以Matlab7.0軟件構(gòu)造了TiAl合金熱變形組織預(yù)報(bào)的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back-Propagation Artificial Neural Network)模型，初步預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均誤差低于2.26％，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與實(shí)測(cè)值的平均誤差則不高于