（材料加工工程专业论文）tc11和ta15盘类件制坯工艺研究.pdf

-1lll， 分类号：t g l 4 6 2 3 udc ：6 2 1 密级： 编号： 工学硕士学位论文 t o11 和t a l 5 盘类件制坯工艺研究 硕士研究生： 指导教师 ： 学位级别 ： 学科、专业： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 段小亮 王忠堂教授 张士宏研究员 工学硕士 材料加工工程 沈阳理工大学 2 0 0 8 年1 2 月2 9 日 2 0 0 9 年0 3 月1 0 日 沈阳理工大学 f ( ( 、 1 1 c l a s s i f i c a t i o ni n d e x ：t g l4 6 2 3 u d c ：6 2 1 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo f m e n g 一 _11j nnr _ n r e s e a r c i io n ab r l c a n o nr r 0 c e s s0 ill t a n l um a l l o yt c l la n dt a i5d i s kb i l l e t s c a n d i d a t e ：x i a ol i a n gd u a n s u p e r v i s o r：p r o f z h o n gt a n gw a n g p r o fs h ih o n gz h a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 0 8 d a t eo fe x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：s h e n y a n gl i g o n gu n i v e r s i t y rr卜- ，_jili： 2-i：i 一 ， 。渺闷，一一 ：，_ 穗 谭 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：最小钇 日期 ：2 汐秒7 年弓月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：雠，j 勃旨导教师签名： z 喜髫 日 期：品斫智) 月7 ) 目日期：力吖多 沈阳理t 大学硕士学位论文 摘要 为了得到好的塑性成形能力，航空上重要的钛合金大型盘类件在最终等温模 锻前均要求组织为等轴组织。钛合金盘类件的锻造一般分为两个过程，即制坯过 程和等温模锻过程。其中制取坯料的组织是否均匀决定了锻后盘类件的组织性能。 因此，选用何种制坯工艺制取组织均匀、性能优越的钛合金饼材，显得尤为关键。 本文通过高温压缩试验、有限元法对t c l l 和t a l 5 盘类件的制坯过程进行了 有限元模拟研究。基于v b 等编程技术开发了模锻工艺优化平台。主要研究内容和 结果如下：， ( 1 ) 对t c l l 与t a l 5 进行高温压缩热模拟试验，建立了t c l l 、t a l 5 钛合 金峰值应力的本构方程。 ( 2 ) 通过有限元模拟软件d e f r o m 3 d 对t c ll 钛合金压气机盘的制坯工艺 进行了数值模拟，分析了在不同火次、不同变形阶段时锻件中的温度场和应变场。 通过模拟研究得到t c l1 钛合金多道次镦拔的最佳镦粗比为4 1 。每次拔长分两次 压下，每次压下量为总变形量的5 0 。最后一火先镦粗到2 1 0 m m ，将坯料翻转1 8 0 0 再镦粗到1 4 0 m m 。采用多道次反复镦拔工艺可使初始态为粗大片层态的t c l1 钛 合金转变为均匀的等轴态，能为后续的锻造提供合格的坯料。 ( 3 ) 通过对t a l 5 钛合金盘类件开坯工艺的数值模拟研究发现，在拔长时采 用拔六边形能有效提高表面温度，并使其芯部温度分布更加均匀及其内部变形均 匀，从而提高其组织性能的均匀性。坯料的初始高径比不要超过2 ，否则容易出现 双鼓型等缺陷。 ( 4 ) 通过v b 等编程技术开发了模锻工艺优化平台软件，本软件对模锻工艺 的优化起到了一定的帮助作用。 关键词：钛合金；盘类件；工艺优化；平台 p r ， 0 一一 7 iir 一 j r 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i m p o r t a n td i s kp a r t si nt i t a n i u ma l l o ya ta v i g a t i o nr e q u i r ee q u a i x e ds t r u c t u r eb e f o r e t h el a s ti s o t h e r m a lf o r m i n g f o r g i n go fd i s kp a r t si nt i t a n i u ma l l o yu s u a l l yh a v et w o p r o c e s s ，t h e r ea r eb i l l e tf a b r i c a t i o np r o c e s sa n di s o t h e r m a lf o r m i n gp r o c e s s t h e r e i n t o ， i ft h es t r u c t u r eo fw o r k p i e c ei se q u a l i t ya f f e c t st h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fd i s k p a r tw h i c ha f t e rf o r g e s o ，w h i c hb i l l e tf a b r i c a t i o np r o c e s sc h o o s ef o rm a k i n gd i s kp a r t s i nt i t a n i u ma l l o yi si m p o r t a n t t h eh o tc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t a la n df i n i t ee l e m e n tm e t h o dw e r ee m p l o y e dt o s i m u l a t eb i l l e tf a b r i c a t i o np r o c e s so fc o m p r e s s o rd i s ko ft i t a n i u ma l l o yt c1 1a n dt a15 s o f t w a r eo ff o r g ep r o c e s so p t i m i z ew a sd e v e l o p e db a s eo nv bp r o g r a m m e ab r i e f i n t r o d u c t i o nt ot h ep r o j e c ta n di t sm a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et h e r m a ls i m u l a t i o nc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n to f t c ll a n dt a l 5 i sd e s i g n e d ， ( 2 ) t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ed e f o r m3 dw a se m p l o y e dt os i m u l a t eb i l l e t f a b r i c a t i o np r o c e s so fc o m p r e s s o rd i s ko ft i t a n i u ma l l o yt c11 t h ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ea n de f f e c t i v e s t r a i nf i e l d sw e r ei n v e s t i g a t e dv a r i o u sp a s s e s s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a lc o m p r e s s i o nr a t i oo ft c11i s41 d u r i n gm u l t i - p a s s u p s e t t i n ga n ds t r e t c h i n g t h ep r o c e s so fs t r e t c h i n gi sd i v i d e di n t ot w os t e p s ，a n di ne a c h s t e p ，c o m p r e s s i o nr a t i oi s 5 0 a n di nt h el a s tp a s s ，t h ew o r k p i e c es h o u l db eu p s e tt o 210 m mf i r s ta n dr o t a t e d18 0 0 , t h e nu p s e tt o14 0 m m t h ei n i t i a lc o a r s el a m e l l a rs t r u c t u r e c a nb et r a n s f e r r e dt or e f i n e de q u a i x e ds t r u c t u r et h r o u g hm u l t i p a s su p s e t t i n ga n d s t r e t c h i n g ，w h i c hc a np r o v i d e se l i g i b l ew o r k p i e c ef o r t h en e x tf o r g i n gp r o c e s s ( 3 ) v i as i m u l a t eb i l l e tf a b r i c a t i o np r o c e s so fc o m p r e s s o rd i s ko ft i t a n i u ma l l o y t c15b yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ed e f o r m3 d ，w ef o u n dt h a tt h ep r o c e d u r eo f s t r e t c h i n gh e x a g o n a lc r o s s - s e c t i o nc a ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c ef a c et e m p e r a t u r e ，a n dt h e u n i f o r m i t yo fd e f o r m a t i o n ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r a lh o m o g e n e i t y o r i g i n a l r a t i oo f h e i g h tt od i a m e t e rc a nn o te x c e s st w o ，o re l s e ，i tw i l le m e r g e n c ed o u b l ed r u ma n do t h e r d i s f i g u r e m e n t ( 4 ) s o f t w a r eo ff o r g ep r o c e s so p t i m i z ew a sd e v e l o p e db a s eo nv bp r o g r a m m e i t h e l p f u li nf o r g ep r o c e s so p t i m i z e k e yw o r d s ：t i t a n i u ma l l o y ；d i s kp a r t ；p r o c e s so p t i m i z e ，；f l a t p 目录 目录 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 钛合金概述2 1 2 1 钛合金的特点及分类2 1 2 2t a l 5 钛合金的特点和应用4 1 2 3t c ll 钛合金的特点和应用5 1 3 钛合金锻造成形技术6 1 3 1 钛合金的常规锻造6 1 3 2 钛合金的高温锻造7 1 4 锻造工艺优化技术8 1 4 1c a d 和c a m 技术8 1 4 2 有限元模拟技术8 1 4 3 最优化技术9 1 5 选题的背景、意义及目的11 1 5 1 选题的背景、意义11 1 5 2 选题的目的1 1 1 6 本文的主要研究内容1 2 第2 章t c l1 和t a l 5 高温变形试验及本构方程的建立1 3 2 1 引言13 2 2 高温压缩实验1 3 2 2 1 实验材料及实验设备1 3 2 2 2 实验方案1 4 2 3 实验结果1 4 2 4t a l 5 钛合金本构方程的建立1 8 2 4 1 本构模型的研究18 2 4 2 本构模型的建立2 0 2 5 本章小结2 3 第3 章刚粘塑形有限元的基本理论及模型建立2 4 3 1 引言2 4 3 2 刚粘塑形有限元的基本原理2 4 3 2 1 基本假设一2 4 沈阳理工大学硕士学位论文 3 2 2 基本方程2 5 3 3 热力耦合分析技术2 5 3 3 1 传热问题的基本理论2 5 3 3 2 传热和变形耦合分析技术2 6 3 4 网格重划分技术2 6 3 5d e f o e r m 3 d 介绍2 8 第4 章t c l l 和t a l 5 盘类件制坯工艺的数值模拟3 0 4 1 引言3 0 4 2t c l1 盘类件制坯新工艺的有限元模拟3 0 4 2 1 工艺方案的制定3 0 4 2 2 几何模型的建立3 1 4 2 3 材料模型的定义3 2 4 2 4 模拟参数的确定3 5 4 3 模拟结果分析3 5 4 3 1 工艺方案一结果分析3 5 4 3 2 工艺方案二结果分析3 8 4 4t a l 5 盘类件制坯新工艺的有限元模拟4 1 4 4 1 材料模型及相关模拟参数4 1 第 结 参 攻 _ t l ， ， 目录 致 谢6 8 i l 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 近年来随着航天、航空、兵器等领域的快速发展要求，塑性加工产品朝着轻 量化、强韧化、精确化的方向发展，对新材料的要求越来越高，不仅要求材料具 有高的比强度、优良的抗氧化性、抗腐蚀性，而月还要求材料具有高的断裂韧性 以及抗蠕变性。以“崛起的第三金属”声誉著称的钛及钛合金是一种重要的新型 金属结构材料，它具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好、耐高温等优点，能够进 行多种方式的塑性成形、焊接和机械加工，己成为近年来世界各国研究热点f l i 。 钛合金首要应用于航空工业，主要是飞机的发动机、起落架、导弹、机身、 各种承力构件。1 9 5 0 年，美国首次使用工业纯钛制造f 8 4 战斗机后机身隔热板、 导风罩和机尾罩等非承力件。随着科技的进步，钛合金存军用飞机上的使用量越 来越多。航空发动机结构中采用钛合金替代部分铝合金和合金钢，使其重量减轻 了1 0 0 5 0 0 k g ，在亚音速发动机中钛合金的使用量达到3 0 ，重量减轻了大约 6 0 0 k g t 2 1 。美国在设计的各种军用飞机中钛合金的使用量也是越来越高，例如美国 b 1 轰炸机的机体结构材料中，钛合金占2 0 1 ，使用十分广泛。麦克唐纳道格拉 斯公司生产的d c l 0 飞机，钛合金的用量为5 5 0 0 k g ，占结构重量的1 0 以上。 锻造技术是热加工领域中的基本的成形工艺之一。锻造的根本目的是获得所 需的形状和尺寸的锻件，同时其性能和组织要符合一定的技术要求。锻造技术在 机电、航空、航天、航海等领域都有广泛的应用，锻造能力及工艺水平对一个国 家的工业、国防和科技的发展具有重要的影响。存现代技术条件下，几乎任何一 种金属材料都可以锻压成形，并且使内部质量得到一定程度的改善。锻件的精度 可以达到彳i 需要机械加工的水平，如各种锻压标准件，精锻叶片等，随着大型液 压机的出现，自由锻的重量可达5 0 0 t 以上【3 1 。锻件的复杂程度虽然比不上铸件， 但锻件的内部组织与综合机械性能确是铸件无法比拟的，经过热处理的锻件，无 沈阳理工大学硕士学位沦文 论冲击韧性、断面收缩率、疲劳强度等均占压倒性优势。可以预料，钛锻件在航 空工业的使用量，在未来的2 0 年内，特别存我国，还会4 i 断地增加。由于锻件是 钛合金的主要使用形式之一，因此，钛合金锻造技术的研究具有重要的工程应用 价值。 随着计算机技术的发展，基于有限元法的数值模拟和应用最优化方法解决材 料加工中的实际问题得到广泛的应用。借助于有限元数值模拟技术和钛合金材料 本构模型，就可以在计算机上虚拟实现钛合金锻造、轧制、挤压等多种塑性成形 过程，可以通过图形、数据等方法直观地得到诸如温度分布、应变和应力分布、 载荷、材料流动情况等各种信息，系统深入地研究相关塑性成形过程。进而实现 工艺参数的优化。借助人工神经网络、遗传算法、d n a 分子算法、蚂蚁算法等优 化方法，确定最佳的加工工艺，大大简化实验研究工作、缩短研究时间、节约研 究经费、加速新产品的开发，提高生产率，降低制造成本，减少人为误差，稳定 产品质量等，取得显著的经济效益和社会效益。 1 2 钛合金概述 1 2 1 钛合金的特点及分类 钛合金是5 0 年代发展起来的一种重要的金属结构材料，钛在地球上的蕴藏量 十分丰富，仅次于o 、s i 、a l 、f e 等占第九位。钛元素发现于1 7 8 9 年，1 9 0 8 年挪 威和美国开始用硫酸法生产钛白，1 9 1 0 年存试验室中第一次用钠法制得海绵钛， 1 9 4 8 年美国杜邦公司( d u p o n t ) 采用镁法成吨生产海绵钛。钛的熔点为1 6 9 0 ， 密度为4 4 8 9 e m 3 。以金属钛为基，加入适量的其他元素便组成了钛合剑4 1 。 钛及其合金具有密度小、强度高、耐腐蚀性好、高低温性能优异、生物相容 性好( 钛对人体生物组织液是稳定的，和人体细胞相容性好) 等特点，其在3 0 0 6 0 0 时的比强度优于钢和铝合金；在海水中的抗蚀性能之强超过不锈钢可与白金相 比；利用其优良的低温性能和重量轻的特点可将其用作制造液氢液氧火箭发动机 或载人飞船上使用的超低温容器和贮箱【5 l 。 2 l 第1 章绪论 按照其退火组织的不同，钛合金可分为：仅钛合金、1 3 乍) t 合金和a + 1 3 钛合金( 还 包括含有少量p 相的近u 钛合金) 三大类【6 1 。按照钛合金的m o 当量，还可以把u + p 钛合金在进一步细分为近0 【钛合金、a + 1 3 钛合金和近p 钛合金三类，共计5 判7 1 。 ( 1 ) c t 钛合金 a 型钛合金包含了商业纯钛以及只由0 【稳定化元素和( 或) 中性元素合金化 的钛合金。这类合金中的元素主要是0 【稳定元素，如铝、锡、锆，基本不含或含 有少量的p 稳定元素，如钼、钒、钽、铌、钨、铜、硅等。因此c 【钛合金又分为 完全由单相a 组成的q 合金和含量小于2 的1 3 稳定元素的近t , 型合金。 这类合金的主要特点是高温性能好，由于是单相组织，所以性能比较稳定； 又因为c t 型合金的相变温度高，加热时软化比较慢，所以耐热性比1 3 型合金好， 是发展耐热钛合金的基础；另外，0 c 型合金的间隙元素含量低，所以也具有良好的 低温性能，可作为低温合金使用。焊接性好，焊缝性能与基体接近。但q 型合金 的热加工性差，缺乏热处理强化能力，只具有中等强度，塑性不够高，一般不能 热处理强化。 ( 2 ) a + 1 3 钛合金 退火组织为c t + 1 3 相的钛合金称仅+ p 两相钛合金。a + 1 3 钛合金中同时加入a 稳 定元素和加入1 3 稳定元素，使0 【和1 3 相都得到强化。加入4 6 的1 3 稳定元素的目 的是获得足够数量的1 3 相，以改善合金高温变形能力和热处理强化的能力。工业 用a + 1 3 钛合金的组织中仍以0 【相为主，1 3 相含量一般小于3 0 ，可见，o 【+ d 钛合金 的性能主要是由1 3 相稳定元素来决定的。在a + 1 3 钛合金中，a l 是最主要的0 c 稳定 元素，加入少量的s n 和z r 是为了进一步强化i f , 相。 这类合金的性能特点是，具有较好的综合力学性能、常温强度、耐热强度和 好的热加工塑性，可以进行热处理强化，焊接性能良好；但合金的组织1 i 够稳定。 ( 3 ) d 钛合金 含有大量1 3 稳定元素( 1 7 ) 的钛合金称为1 3 钛合金。在水冷或空冷条件下将p 相全部保留到室温，得到全b 组织。这类合金具有良好的塑性加工性能。经淬火时 效后，合金强度显著提高，从而获得较高的常温力学性能，是发展高强度钛合金 的基础。但该合金的密度大、弹性模量低、高温组织性能不稳定，耐热性差，焊 沈阳理工大学硕士学位沦文 接性也不好，冶炼工艺复杂。另外，p 相稳定元素多为稀有金属，价格昂贵，组织 性能也不稳定，工作温度一般4 i 超过3 0 0 ，故这种合金的应用还受一定限制。 ( 4 ) 近u 钛合金 所谓近0 【钛合金是在叶p 钛合金中含有少量( 少于2 ) 的p 稳定元素，其m o 当量 ： 小于2 5 。这类合金主要是靠c c 相稳定元素固溶强化，加入少量的p 稳定元素，以改 善成形性能，并使合金具有一定的热处理强化特性，其退火后组织为a 相和少量的 p 干甘( 少于1 0 ) 。其淬火状态的相组成为0 【或0 【+ 0 t ”相，其中c 【相是淬火时由p 相转变而来的，具有斜方晶体结构和典型的针状马氏体形态的过饱和相。含a l 量 低的近a 钛合金的成形性能、焊接性能与纯钛相近，适合制造复杂形状的冲压件和 焊接件。含a l 量高的近a 钛合金的具有高的蠕变抗力和持久性能，适合制造高温环 境下使用的发动机压气机盘、叶片和机匣。国内外在5 0 0 以上使用的高温钛合金 几乎都是近0 【钛合金，例如我国的t a l 2 、t a l 5 ，美国的t i - - 6 2 4 2 5 、t i l1 0 0 ，英 国i m l 8 2 9 和俄罗斯的b t 2 0 、b t l 8 和b t 3 6 等。 ( 5 ) 近b 钛合金 近p 钛合金的m o 当量在1 0 1 5 之间，在室温稳定状态下含有2 5 5 0 的p 相。从 一 p 相区快速冷却时，可将p 相全部保留，为完全的不稳定p 相。该合金具有高强度、 高弹性模量、高淬透性和良好的断裂韧性，适于制造飞机机体和起落架等大型承 。 力构件。例如俄罗斯的b t 2 2 和美国的t i l 0 2 3 。 1 2 2t a l 5 钛合金的特点和应用 t a l 5 钛合金的名义成分( 质量百分数) 为：t i 6 5 a 1 2 z r - l m o 1 v ，相变点为 9 7 0 9 9 0 ，它是于1 9 6 4 年被作为比t a 7 钛合金强度更高的板材钛合金研制成功 的，与原苏联航空材料研究院于1 9 6 4 年研制成功的通用型钛合金b t 2 0 化学成分 相似【8 1 。其主要的强化机制是通过0 【稳定性元素a l 的固溶强化，加入中性元素z r 和b 稳定元素m o 和v ，改善其工艺性能。该合金的a l 当量为6 5 8 ，m o 当量为 - 2 4 6 ，属于高a l 当量的近a 钛合金，所以它既具有近0 【钛合金的良好的热强性 和可焊性，又具有接近于0 【+ p 钛合金良好的工艺塑性【9 1 。t a l 5 钛合金具有良好的。 锻造工艺性能。高温拉伸试验表明t a l 5 钛合金在9 0 0 以下的变形抗力比t c 4 稍高，存9 0 0 以上两者基本一致。利用t a l 5 钛合金良好的锻造工艺性能已成功 4 第l 晕绪沦 地研制出大型模锻件，且锻件组织均匀细小【1 0 1 。t a l 5 钛合金作为一种近q 钛合金， 热处理工艺简单。一般在普通退火状态下使用，退火温度为7 0 0 一8 0 0 1 。 t a l 5 钛合金为中等强度级别的钛合金，有良好的综合力学性能和工艺性能。 该合金在5 0 0 下工作的寿命可达到3 0 0 0 小时，在4 5 0 下工作的寿命可达到6 0 0 0 小时。该合金主要用来制造5 0 0 以下长时间工作的结构零件、焊接承力结构件和 一些温度较高、受力较复杂的重要结构零件，例如应用于发动机的各种叶片、机 匣，飞机的各种饭金件、梁、接头、大型壁板、焊接承力框等【1 2 】。目前该合金在 军工领域和民用领域都具有广阔的应用前景【1 3 】。 1 2 3t c l l 钛合金的特点和应用 t c l1 钛合金 1 4 - 1 9 l 是一种马氏体型c c 邯两相热强钛合金，稳定状态下p 相含量 为5 - 2 5 ，从p 区急剧冷却时，产生0 【相的马氏体组织。它具有重量轻，比强度 高，中温性能好，耐腐蚀等优点。t c l1 钛合金的名义成分为 t i 6 5 a i 1 5 z r 3 5 m o 0 3 s i ，另外还有少量的f e ，o ，h ，c 。其中a l 、z r 金属元 素主要用于固溶强化g t 相，添加m o 、s i 为了固溶强化1 3 相。m o 在0 【钛中的溶解 度1 i 超过1 ，在一般的1 3 稳定元素中，m o 的扩散系数最低，加入后能够减慢原 子的扩散过程，而且m o 加入后1 3 稳定效应极强，所以，m o 的添加不仅能有效地 提高室温和高温的强度，又提高了热稳定性。z r 是与钛最相似的元素之一，钛的 0 【和1 3 晶体结构与z r 的相应晶体结构组成连续的固溶体系列，不论z r 的浓度如何， 1 3 相1 i 能用淬火而转变为口马氏体相。z r 对钛的同素异晶转变温度的影响相当小， 属于中性强化剂，但是由于z r 的加入1 i 会降低原子间的结合力，因此也能保证合 金的热强性。在热强钛合金中，s i 是提高热强性、耐热性的重要微量合金元素之 一，加入0 1 5 0 3 5 s i ( 硅在a 钛中的溶解度的范围内) 即可形成可能对提高热强性 起一定作用的t i 5 s i 3 钛硅化物；并且，当s i 与z r 共存时，会形成弥散的复杂硅化 物，沉积于活动位错上，阻碍位错运动，提高合金的抗蠕变性能。t c l1 钛合金作 为一种c 【+ d 型高温热强钛合金，不仅具有一般钛合金的优点，而且可以在5 0 0 c 以 上长期工作，并保持良好的机械性能。在发动机的压气机部位可取代高温合金和 不锈钢及t i 6 a 1 4 v 合金( 能在3 5 0 * c 下长期工作) ，在飞机的高温部位( 如后机 身等) 可取代高温使用性能彳i 能满足要求的铝合金，因此，t c l1 钛合金已被广泛 应用于制造航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒等，是航空发动机零部件的理想材 气 沈阳珲工大学硕士学位论文 料。除此之外，t c l1 钛合金还具有良好的工艺性能，可以进行热加工、焊接和各 种形式的机加工等。t c l1 钛合金的相变点为1 0 0 0 * c 左右，选择合理的热处理制度 和锻造工艺参数可以获得预期的显微组织和良好的力学性能。 1 3 钛合金锻造成形技术 钛合金的锻造工艺，就其锻造温度与1 3 a + 1 3 转变温度的关系，分为常规锻造与 高温锻造。 1 3 1 钛合金的常规锻造 常用变形钛合金通常都是在1 3 转变温度以下锻造的，这种方法称为a + 1 3 锻造 或常规锻造1 2 引。根据坯料在0 【+ p 相区加热温度的高低，还可以更细致地分为上两 相区锻造和下两相区锻造。 下两相区锻造，一般在p 转变温度以下4 0 。c 5 0 加热锻造。也有人将这种锻 造称为常规锻造。以示区别，称上两相区锻造为“近1 3 锻”。实施这种锻造工艺 时，初生0 相和p 相同时参与变形。变形温度愈低，参与变形的c c 相数量愈多。 与p 区变形相比，p 相的再结晶过程急剧加快，而目再结晶形成的新的p 晶粒1 仅 沿变形的原始p 晶界上析出，而且在p 晶内和c 【片层间的p 中间层内出现。 它与p 相区变形时的区别是：在a + 1 3 区变形过程中同时发生p 晶粒和c 【片形 状的变化，b 晶粒被压扁，沿金属流动方向拉长、破碎。晶界附近与晶内c 【相间的 差别逐渐消失。当变形程度超过6 0 7 0 后。已没有任何可见的片状组织痕迹了。 存一定温度和变形程度下发生再结晶，目c 【相的再结晶先于d 相的再结晶，再结 晶后的0 【晶粒，呈扁球形状，没有再结晶的0 【晶粒形状为盘状、杆状或纤维状。 经这种工艺生产的锻件强度较高，塑性好，断裂韧性与蠕变性能也较好。 为了降低变形抗力，上两相区变形一度被人们所重视。它是在1 3 a + 1 3 相变点以 下1 0 。c 1 5 的温度下始锻，即近b 锻，就其变形过程中微观组织的变化而言，与 下两相区锻造并没有什么区别，但其变形后的最终组织却含有较多的转变d 。在常 规热加工条件下两相钛合金的强度和热强性，主要来源于固溶强化、沉淀强化和 组织细化，是合金元素在钛的两个同素异晶体中固溶强化、1 3 相沉淀强化和组织细 化的复合作用。但是钛合金的抗蠕变性能还和等轴0 【与魏氏体c c 组织的相对含量 有关。在相同的热处理条件下，魏氏0 【组织比等轴0 【组织有较好的抗蠕变能力。 第l 窜绪沦 凶而增加合金组织中p 转变组织的相对含量，必然导致蠕变性能和断裂韧性的提 高。研究表明，利用近b 锻工艺可使钛合金塑性、强度、韧性兼得1 2 。 1 3 2 钛合金的高温锻造 坯料存p 区加热，在p 区开始并完成锻造的工艺方法与坯料在p 区加热，存1 3 区开始锻造，并控制很大变形量在两相区完成锻造的工艺方法，统称为高温锻造。 在早期的研究，人们统称这两种工艺为“d 锻”。后来，第二种工艺方法被人们称 为“亚1 3 锻”。这样更确切一些。 钛合金经“全p 锻”变形时，p 晶被拉长，晶内产生许多变形带。在一定温度 速度条件下，1 3 相开始发生动态再结晶。当d 相完全再结晶时，变形后的组织就完 全由等轴p 晶组成了。但这种情况刘于钛合金p 区变形是不可能出现的。当进行p 区变形时，只有少量的中心部分发生动态再结晶，从而产生的再结晶新晶粒也不 多。并且在变形温度冷却到1 3 o t + 1 3 转变点之前，尤其是慢冷过程中，新晶粒可能长 大到1 0 0 9 m 或者更大。钛合金经“业p 锻 变形后，所形成的组织取决于a + 1 3 两 相区的温度间隔和在a + 1 3 区的变形程度。当变形量大于5 0 6 0 时，其组织很象 前述完全两相区变形所产生的形态。当在d 区的变形量较小时，各部位的组织不 均匀性显得很突出，而目o t + 1 3 区的变形温度间隔越大则这种1 均匀性就越明显。 各个区域中的伐片所受的变形程度存存着很大差异。 高温锻造使钛合金的塑性降低是大家所公认的。国内研究表明，t i 6 a i 4 v 合金，锻造温度为9 5 5 1 0 2 0 c ，压缩量为5 0 时，其延伸率至少可保证1 3 ，断 面收缩率全少可保证2 5 。可见，钛合金经高温锻造后其塑性还是有一定保障的 1 2 2 1 。1 9 7 0 年，科恩在总结各种工艺研究工作后指出与两相区锻造相比较，p 锻造 能得到较高的蠕变强度和断裂韧性；d 锻造的钛合金比a + 1 3 锻造的稳定。这里科恩 所称的“p 锻”实际为“亚p 锻”。国内研究还发现，p 锻还有利于钛合金低周疲 劳性能的提高。这种结论是通过对t c ll 钛合金研究而得出的。 7 沈阳理工大学硕士学位论文 1 4 锻造工艺优化技术 1 4 1 c a d 和c a m 技术 随着国民经济的快速发展和能源i 口j 题在各国引起重视，计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 是近年来得到快速发展的新技术。随着计算机硬件技术 的飞速发展和计算机软件技术的逐渐完善，以前只能在大型计算机或工作站上运 行的软件也逐渐能够在微型机上运行和应用，这将进一步加快工业产品的设计进 程、提高设计质量、缩短设计周期，为企业在激烈的市场竞争中获胜提供保证。 计算机辅助设计是用计算机硬、软件系统辅助设计人员对产品或工程进行设 计、修改及显示输出的一种设计方法，是一门多学科综合性应用的新技术。从方 法学的角度看，存c a d 过程中人与计算机密切合作，在决定设计策略、信息处理、 修改设计及分析计算等方面充分发挥各自特长。如计算机在信息存储与检索、分 析与计算、图形绘制弓文字处理、以及代替人从事大量重复枯燥的工作方面有特 殊优点；但在设计策略、逻辑控制、信息组织及发挥经验和创造性方面，人将起 主导作用。因此二者的有机结合必然能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计 费用。从技术角度看，c a d 技术已成为一门综合性应用新技术，涉及到以下基础 技术： ( 1 ) 图形处理技术如二维交互图形设计技术、三维几何造型技术及其它图形 输入输出技术； ( 2 ) 工程分析技术如机械设计计算，工程分析校核等； ( 3 ) 数据管理与数据交换技术如数据库管理、c a d 系统间数据交换接口等； ( 4 ) 文档处理技术如文档制作、编辑及文字处理等； ( 5 ) 软件设计技术如窗口界面设计，软件工程规范及其工具系统的使用等【2 射。 1 4 2 有限元模拟技术 塑性加工工艺过程的优化和工艺参数的确定对加工过程具有决定性的意义。 长期以来，人们只能依靠工艺试验和试错法进行摸索，不但费时费钱，而且耗时 长，影响新产品的开发。随着先进制造技术的快速发展以及市场竞争的加剧， 传 统的工艺方法已明显不能适应市场发展的需求。因此，制造业中的工艺过程数值 弟1 羊：绪沦 模拟技术随之兴起。基于有限元方法( f e m ) 的数值模拟技术由于其独特的优势，如 适合于各种复杂的边界以及非线性问题等，在塑性加工领域获得了广泛的应用。 其主要目的是用来优化工艺过程、提高质量、缩减产品的研发周期以降低成本及 提高生产率。 汽车制造领域最能体现有限元模拟技术的发展，在美国，福特公司早于1 9 7 0 年就采用有限元模拟技术；欧洲的一些大牌汽车厂商如奔驰、雷诺、富豪等也存 上世纪八十年代开始广泛应用f e m ；随后日本的马自达、丰田、尼桑等公司也开 始使用f e m 。目前工程界通用的工艺过程模拟有限元软件包括有m s c m a r c 、 m s c s u p e r f o r m 、p a m s t a m p 、d e f o r m 一2 d & 3 d 、a n a s y s 、t h i r dw a v e 、 f o r g e d 2 d & 3 d 、a b a q u s 等等。由于近年来计算机技术的飞速发展，多数有限 元软件可以同时运行于工作站及p c 机。能在p c 机上使用这些有限元软件使得投 资成本大大降低，因此用户数量也随之急剧增加。当前有限元数值模拟技术的应 用范围已由二维扩展到三维，可以进行自适应网格重划，可以分析形状及受力非 常复杂的二三维几何模型；从原来典型的简单工艺模拟扩展到各种复杂的工艺模拟， 可以对工艺参数和几何参数进行优化计算；从宏观分析发展到微观分析，可以预 测弹性回复、残余应力、加工硬化，预测工件在变形过程中的微观组织，模拟退 火、正火、淬火、回火等热处理过程中的材料组织变化；并- 目还能分析一些较复 杂的耦合问题，如考虑包括塑性变形功和摩擦功的热效应在内的热力耦合以及考 虑变形和相变存内的材料组织性能演化的耦合分析等1 。 1 4 3 最优化技术 1 4 3 1 正交试验设计 试验设计( d e s i g no f e x p e r i m e n t s ) 是以概率论与数理统计为理论基础，经济地、 科学地制定试验方案以便对试验数据进行有效的统计分析的数学理论和方法【2 5 i 。 在工农业生产、科学研究和管理实践中，为了开发设计研制新产品、更新老产品， 降低原材料、动力等资源消耗，提高产品的产量和质量，做到优质、高产、低消 耗即提高经济效益，都经常需要做各种试验。因此，如何合理地设计试验方案和 有效地分析试验结果，是很值得研究的一个问题1 。 国内外实践表明，试验设计可以帮助我们有效地解决如下问题【2 7 】： 9 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 科学地、合理地安排试验，可以减少试验次数，缩短试验周期，节约人 力、物力，提高经济效益，尤其当因素水半较多时，效果更为显著； ( 2 ) 在产品的设计和制造中，影响指标值的因素往往很多，通过对试验的设 计和结果分析能使我们在众多的因素中分清主次，找出影响指标的主要因素； ( 3 ) 通过试验设计可以分析因素之间交互作用影响的大小； ( 4 ) 通过方差分析，可以分析出试验误差影响的大小，提高试验的精度； ( 5 ) 通过试验设计能尽快地找出较优的设计参数或生产工艺条件，并通过对 试验结果的分析、比较，找出达到最优化方案进一步试验的方向； ( 6 ) 能刈最优方案的指标值进行预测。 1 4 3 2 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是一种分布式信息处理 系统。它由许多非常简单的，彼此之间高度连接( 通过权重连接) 的处理单元组 成。这些单元是模仿大脑中的神经细胞( 神经元) 设计成的，神经网络通过学习 ( 即按一定规则，修改权重) 和训练，“记住”输入到输出间的一般映射关系( 事 实上，是将信息存储于权重之中) ，从而建立模型解决实际问题【8 1 。 神经网络理论的应用取得了令人瞩目的进展，特别是在人工智能、自动控制、 计算机科学、信息处理、机器人、模式识别、c a d c a m 等方面都有重大的应用实 例1 2 引。 1 4 3 3 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 是模仿自然界生物进化机制发展起 来的随机