鈦合金零件熱等靜壓整體凈近成形的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing,HIP）工藝能成形復(fù)雜高性能零部件，特別適用于航空航天高性能鈦合金零部件的成形。但粉末態(tài)材料在熱等靜壓復(fù)雜的高溫高壓熱力耦合的作用下，形變、密度度、應(yīng)力場等關(guān)鍵因素難預(yù)測，從而導(dǎo)致熱等靜壓技術(shù)工程化應(yīng)用發(fā)展緩慢。數(shù)值模擬分析能夠有效分析HIP過程粉末體的形變、相對密度、應(yīng)力場等變化規(guī)律。利用有限元分析指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中HIP的工藝選擇、包套制造，能節(jié)約HIP成形復(fù)雜零件的成本并保證零件

2、的成形質(zhì)量。本文以Ti6Al4V合金材料為研究對象，基于MSC.MARC平臺建立了粉末HIP有限元模型。系統(tǒng)模擬了鈦合金方塊件HIP過程的相對密度、幾何應(yīng)變、柯西應(yīng)力場以及溫度場變化規(guī)律。之后進(jìn)行了HIP實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。最后本文模擬分析了三種HIP典型工藝下可變形型芯的變形情況，提出了利用可變形控形型芯成形葉盤復(fù)雜件的HIP模具優(yōu)化方案。全文主要結(jié)論如下：
　?。?）在HIP成形過程初期，粉末整體致密度較低。之后隨著外

3、界壓力突破包套屈服極限，粉末體流動(dòng)速度迅速增長，整體致密度飛速提升。隨著粉末體致密化程度越來越高其流動(dòng)速度慢慢下降。直到在HIP后期降溫降壓階段，粉末體由于受不均勻熱應(yīng)力作用整體發(fā)生復(fù)雜不規(guī)則流動(dòng)，其整體致密化程度也進(jìn)一步提升。
　?。?）HIP初期和中期粉末體整體應(yīng)力場不大，而在HIP降溫降壓開始時(shí)粉末體因不均勻熱應(yīng)力作用產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力直到HIP工藝結(jié)束。粉末體應(yīng)力場變化和溫度場密切相關(guān)。溫度梯度變化越大，應(yīng)力變化就越大。粉

4、末體殘余應(yīng)力分布沿著中心到邊角區(qū)域呈先增大后減小的規(guī)律。
　?。?）HIP零件輪廓和模擬輪廓的誤差在6.3％以內(nèi)，平均輪廓誤差為2.883%。相對密度測量結(jié)果和模擬結(jié)果誤差控制在4.8%以內(nèi)，內(nèi)部區(qū)域的模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確和測量值誤差在2%以內(nèi)。這說明了數(shù)值模擬的可靠性。邊角部位由于粉末難變形特性相對密度不高難以達(dá)到全致密。X殘余應(yīng)力衍射得到的零件應(yīng)力場分布規(guī)律和數(shù)值模擬的應(yīng)力場分布規(guī)律相一致，從邊角到中心區(qū)域殘余應(yīng)力呈先增大后減小的

5、趨勢。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量得到的殘余應(yīng)力誤差在100MPa左右。
　?。?）HIP鈦合金零件的內(nèi)部組織由α和β相組織組成。其中α相以片狀形態(tài)均勻分布在零件內(nèi)部，β相組織呈板條狀分布在α相之間。整體組織晶粒細(xì)小，特別是在邊角區(qū)域，晶粒粒徑僅有10um左右。邊角區(qū)域還存在大量等軸α相組織。
　?。?）三種典型HIP工藝下可變形型芯位移變化最嚴(yán)重的階段在升溫升壓后期和降溫降壓階段初期，而在保溫保壓階段，模具型芯位移變化量不大。型芯節(jié)