钛合金等温锻造动态仿真.doc

目 录1 引言 11.1 课题的意义和背景 11.1.1 钛合金在现在工业中的应用 11.1.2 钛合金成形技术的发展 21.1.3 等温锻造的特征、优点及适用范围 21.2 钛合金的组织、性能与锻造 51.2.1 钛合金的一般特性 51.2.2 (十)钛合金的组织与性能 51.2.3 (十)钛合金的锻造与组织 71.3 数值模拟技术 91.3.1 数值模拟技术的发展历史 91.3.2 数值模拟技术的分类 101.3.3 有限元法在塑性加工中的应用 111.4 课题主要研究内容及研究方法 131.4.1 课题主要研究内容 131.4.2 课题主要研究方法 142 钛合金等温锻造铅模具设计 142.1 钛合金成形工艺分析 142.1.1 钛合金加热过程中的常见问题 142.1.2 锻坯坯料准备 152.1.3 确定锻造温度、变形程度 152.1.4 钛合金锻造过程中常见的缺陷 162.2 锻件图设计 182.2.1 锻件图设计简介 182.2.2 制定零件锻件图 192.3 锻坯设计 222.3.1 锻坯设计简介 222.3.2 确定零件锻坯 232.4 锻模设计 232.4.1 模具材料 232.4.2 凸、凹模及固定 243 数值模拟基础 243.1 塑性力学知识 243.1.1 有限元法基础 243.1.2 力学方程 273.1.3 刚粘塑性有限元变分原理 293.2 塑性有限元矩阵方程组 323.2.1 变形体离散化 323.2.2 变形体线性化 364 等温锻造数值模拟模型建立及模拟过程 374.1 数值模拟过程中的关键问题 374.1.1 钛合金相关性能参数 374.1.2 网格重划分与网格自适应技术 394.1.3 模拟过程条件确定 414.2 工艺参数选取 414.2.1 变形温度 414.2.2 凸模速度 424.2.3 摩擦系数 434.2.4 锻造过程中的温度场分析 434.3 毛坯锻造过程仿真 444.3.1 DEFORM 有限元分析系统简介 444.3.2 锻件成形分析 454.3.3 仿真过程及分析 464.3.4 毛坯成形对比分析 505 钛合金等温锻造铅坯试验 505.1 铅试样模拟钛合金等温锻造的可行性分析 505.1.1 相似性理论 505.1.2 模拟可行性分析 515.2 铅试验方案 535.2.1 试验目的 535.2.2 试验设备 535.2.3 工艺方案 536 结论 54参考文献 56致谢 581 引言11 课题的意义和背景1.1.1 钛合金在现代工业中的应用随着现代工业的发展，人们对机器的机械性能的要求越来越高。特别是随着航空航天技术的发展，人们对材料的加工工艺的研究得到了很大的进展。单纯依靠改进材料的加工工艺来提高材料的性能已经不能满足人们的需求，于是，人们开始寻求一些新的性能更好的材料来替代先前的材料。钛合金材料应运而生。钛合金材料具有很多优点，如它的强度大，质量轻，比强度位于主要结构材料的前列。这些优点，恰恰符合现代工业，特别是航空航天工业对材料的要求。因而，钛合金被广泛应用于医疗、航天、航空等工业。从20世纪50年代开始，钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，可以减轻飞机的重量，提高结构效率。在飞机用材中钛的比例，客机波音777为7%，运输机C217为10.3%，战斗机F24为8%，F215为25.8%，F222为39%1。几十年来，国内外针对航空应用所研究的钛合金等均取得了很大进步，许多合金也得到广泛应用。我国战斗机的钛用量也在不断扩大：20世纪80年代开始服役的歼八系列的钛用量为2，两种新一代战斗机的钛用量分别为4和15，更新一代的高性能新型战斗机的钛用量将达2530。我国早期生产的涡喷发动机均不用钛，1978年开始研制并于1988年初设计定型的涡喷13发动机的钛用量达到13。2002年设计定型的昆仑涡喷发动机是我国第一个拥有完全自主知识产权的航空发动机，钛用量提高至15。即将设计定型的我国第一台拥有自主知识产权的涡扇发动机又进一步把钛用量提高到25的水平。2钛合金不仅在航空、航天工业中有着广泛的应用，在汽车行业更是如此。钛在新一代汽车上主要分布在发动机元件和底盘部件上。在发动机系统，钛可制作阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等部件；在底盘部件主要为弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。这些都是汽车上的关键部件。以每辆四缸汽车发动机使用钛3.6公斤计算（可使发动机自重减轻2.3公斤），如果全世界每年有100万辆汽车使用这种发动机，钛合金用量将达到3600吨3。然而采用传统方法锻造时，钛合金的成形性能不佳，变形抗力大，需使用大型锻造设备。一般只能制成粗锻件，金属材料利用率低，且因机加工性能很差，机加工成本高，加上大量的金属被切，致使成品零件价格昂贵。另外，钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。而常规模锻工艺参数不能精确控制，随意性大，造成锻件组织和性能波动较大。因此，钛合金的这些缺点阻碍了其在各领域中的应用4。1.1.2 钛合金成形技术的发展目前国际上钛合金等温锻造技术的发展概况：俄国等温锻造工艺及产品有钛合金叶片等温锻造、钛合金压气机盘等温锻造、飞机钛合金结构件的等温锻造、高温合金涡轮盘的等温锻造。5自1969年召开国际钛合金应用研讨会以来，钛合金开始应用于火箭、导弹、航空和宇航以及武器装备，各国加紧了钛合金的成形研究6，7。1968年和1971年，苏联先后获得钛及钛合金叶片毛坯等温模锻方法的发明证书和生产等温变形用的装置的发明证书。1972年美国发表了相似的专利8。（苏）尼可里斯基等人研究了钛合金的模锻和挤压成形，提出了钛合金成形的基本理论和力学计算，给钛合金成形工艺提供了基本理论。（苏）菲格林等研究了钛合金等温成形技术精锻钛合金锻件，普通锻造工艺的锻件重6.3Kg，采用等温成形技术锻件仅重0.8 Kg；他们锻造成形的发动机叶轮，普通锻造工艺的锻件重24 Kg，采用等温成形技术锻件仅重10 Kg。在国内，也有不少专家学者在这方面做了一些研究。王少林、李键等研究了TC11钛合金热变形行为和热处理对组织性能的影响，给出了该材料的热变形力学模型和组织性能；赵永庆等研究了Ti-40阻燃钛合金铸态的高温变形机理，研究了该材料的热变形力学行为并建立了本构关系；北京机电研究所用超塑性成形方法成形出了火箭发动机燃料容器-钛合金球罐和钛合金叶片；华北工学院研究了TC4钛合金超塑变形力学行为；北京航天工艺研究所研究了TC1钛合金隔板热成形工艺和超塑成形/扩散焊接复合成形等技术问题；52所研究了钛合金轻型火炮底座成形工艺问题。1.1.3 等温锻造的特征、优点及适用范围为了保证钛合金锻件在室温和高温下均具有良好的综合性能，合金、(十)两相合金通常都是在低于转变温度以下温度范围内以中等应变速率锻造的。这种方法是一种传统的锻造方式，常称作(十)两相锻造或常规锻造。但是，由于锻造温度低、变形抗力大，难以锻出形状复杂、尺寸精确度高的锻件，也造成所需设备吨位大、材料利用率低、机械加工量大等问题。为了解决上述问题，出现了锻造、近锻造和等温模锻等成形工艺方法9。等温锻造是指自始至终模具与工件保持相同的温度，以低应变速率进行变形的一种锻造方法。为防止锻件和模具的氧化，常在真空或惰性气体保护的条件下进行10。等温锻造是近几年发展起来的一种先进的锻造技术。等温锻造是在坯料温度和锻模温度基本一致的情况下进行的。在等温成形条件下，锻件以较低的应变速率进行变形，变形材料能够充分动态再结晶，从而可大部分或全部克服加工硬化的影响。等温锻造的主要特点是模具与成形件处理基本相同的温度，因此需要带有模具加热及控温装置。等温锻造一般速率较低，主要采用液压机。除此之外，等温锻造还有如下特征：等温锻造有以下特征：1) 在整个锻造过程中，锻模与锻件始终保持在同一加工温度；2) 锻造速度很慢，应变速率很小；3) 为防止氧化，锻模与锻件有时置于真空或惰性气体环境里。与常规锻造相比，等温锻造的优点有：11,121) 等温锻造可密切控制锻件尺寸，能够锻出形状复杂、精度高的锻件，比常规锻造更符合实际需要，节省了原料，大大减少了机加工，降低了成本；2) 锻造载荷较小，设备吨位大大减小，使锻造高温合金成为可能；3) 一步等温锻造工序可代替三步四步常规锻造工序，减少了锻造作业量，提高了效率；4) 能够实现单道次大变形工艺，从而获得更精细的组织结构；5) 锻件污损层为0.058 mm，而常规锻造的污损层为0.254 mm；6) 等温锻造可密切控制加工参数，产品具有均匀一致的微观组织，较少出现粗大晶粒，能够获得20%30%球状相，故其机械性能与常规锻造相当或优于常规锻造的；7) 由于锻造温度较高，使坯料易于充满模具型腔，降低了模具磨损程度；8) 等温锻件一般无残余应力；9) 由于消除了模具冷却效应，使得在等温锻造温度下工件的变形特性更接近于材料的真塑性变形特性。根据等温锻造的特点以及常规锻造的不足，等温成形的适用范围主要包括以下几个方面。1) 低塑性材料的成形。采用等温成形方法，可以成形用常规变形方法不能加工的低塑性、难变形材料。例如钛合金、耐热合金以及许多高合金钢，其变形温度范围比较窄，采用等温条件下的变形显得非常重要13。2) 优质或贵重材料的成形。随着航空宇航工业的发展，对结构材料的要求也越来越高。为了提高飞行器以及各种现代控制器件的功能，需要采用优质或贵重的材料，例如钛及钛合金，以及高温合金、复合材料等。采用常规热变形方法成形这些优质或贵重的材料，通常需要加大加工余量，使材料成本和机械加工成本大为提高，造成不必要的浪费。3) 形状复杂的高精度零件的成形。形状复杂的高精度零件的成形。采用等温成形方法，可以成形具有高窄筋、薄腹板以及形状复杂的高尺寸精度的结构零件，而这些零件采用常规的塑性加工方法进行成形往往是非常困难的，甚至是不可能的。4) 采用低压力成形大型结构零件。等温条件可以扩大材料成形的工艺参数范围，例如通过降低应变速率，可以使材料在较多的变形温度下具有较高的塑性，降低成形压力。5) 研究材料的塑性变形规律。对于常规热变形来说，由于在变形过程中，变形温度是不断变化的，物理模拟实验与实际等温成形时的条件相差较小，物理模拟实验的结果可以有效地指导实际等温成形工艺的设计，并且可以研究材料在特殊条件下的塑性变形规律14。等温锻造对于锻造难加工材料具有以上一些不可多得的优越性，它的出现使钛合金的锻造加工进入了新的时代，使钛合金具有更广阔的应用前景。近年来，迅速发展的有限元技术和实验手段的进一步提高，为钛合金的等温模锻变形机理的数值分析研究奠定了基础。本课题将从复杂钛合金锻件的等温模锻实际出发，建立接近实际变形过程的物理和数学模型，进行有限元数值模拟，总结变形机理，研究等温模锻工艺并直接服务于生产实际，这对提高模锻件几何尺寸精度，降低成本，节省研制费用，有重要的理论与实际意义。综上所述，课题研究的需要和钛合金工业发展的态势，决定了钛合金等温锻造模拟仿真的研究有重要价值。1.2 钛合金的组织、性能与锻造15,161.2.1 钛合金的一般特性钛合金具有强度高、重量轻、抗腐蚀性能好等优点，在宇航、舰艇、化工等领域得到日益广泛的应用。现代工业钛合金，一般以固溶体、固溶体或两者的组合为基体。根据工业钛合金金相组成的这一特点，一般将其分为、和合金，这些合金或带金属间化合物或不带这种化合物。具有组织的工业钛合金，其特点是在稳定状态下有不同比率的相和相，能形成各种亚稳定的组织状态，所以具有各种物理、力学、使用和工业性能的配合。因而型合金得到了广泛的应用。常用于制造飞机的各种结构件和发动机的重要零部件。1.2.1 (十)钛合金的组织与性能合金的微观组织决定着合金的性能。钛合金组织的多样性决定了钛合金力学性能在很大的范围内变化。通过组织的最优化，可以显著提高钛合金的力学性能。在(十)钛合金中，典型的显微组织可以归结为四类:魏氏体组织、网篮组织、等轴组织和混合组织。1) 等轴组织等轴组织的特点是:在均匀分布的含量超过50%的初生基体上存在一定数量的转变组织。等轴是不可能从直接转变获得，而只能从片状变化而来。从片状变成等轴需要两个基本条件，一是变形，二是加热。片状经变形后发生的晶格畸变，为其再结晶创造了条件，并有了形成新晶粒的可能。如果在(十)区进行热加工，变形温度较高，在变形过程中将发生再结晶，一般是相优先发生再结晶，形成等轴，待相也发生再结晶后，也就获得了完全等轴的十组织。当变形温度低，再结晶不能进行，或只能部分发生时，随后再进行再结晶退火，也可得到等轴组织，等轴化程度的大小，受变形程度、加热温度和保温时间的影响。总的趋势是随变形程度的增大，加热温度的升高以及保温时间的延长，等轴化程度加大。2) 混合组织混合组织的特点是:在转变组织的基体上分布着一定数量的等轴初生相，等轴初生相的含量不超过50%。采用近加工或混合加工，当变形温度主要集中在相区，并延续到(十)两相区，相发生再结晶形成等轴，在冷却时又从相中析出片状，这样就形成了混合组织，即等轴加片状十转变组织。另外，经过变形加工之后，再重新加热到(十)区上部温度退火，也可获得混合组织。3) 网篮组织网篮组织的特点是:原始晶粒边界不同程度地被破碎，晶界相镶边已不明显，晶内片状相变短变粗，在原始晶粒轮廓内出现高度扭曲的或类似网篮编织的片状结构。由(十)加工或混合加工，且在两相区有较大的变形量时获得。当变形量增大时，原始晶粒开始破碎并被拉长，魏氏片状相发生歪曲、碎化，并沿变形方向排列，形成网篮组织。4) 魏氏体组织魏氏体组织的特点是：原始晶界清晰完整，晶界相非常明显，晶内粗大的片状相呈规则排列。魏氏组织通常由退火或加工获得。上述的四种组织中，等轴组织属于球状组织，网篮组织和魏氏体组织属于片状组织，而混合组织中既有等轴结构又有片状结构。大量的研究结果表明：片状组织与球状组织相比，端面收缩率和延伸率较低，而抗拉强度和屈服强度相差不大；球状组织比片状组织具有更高的疲劳强度，但片状组织的热强性(拉伸强度、持久强度和蠕变强度)比球状组织高，断裂特性(断裂韧性、断裂强度和裂纹扩展速率)比球状组织要好。 (十)钛合金各类组织的机械性能有如下特点:等轴组织具有最好的综合性能，尤其是高的拉伸强度、室温塑性和优良的疲劳抗力，而且随着组织中等轴相及转变组织的比例、形貌和尺寸的不同而有所变化。网篮组织的高温持久和蠕变性能较高，虽然塑性和冲击韧性次于等轴组织，但综合性能较好。与前几种组织相比较，魏氏体组织的综合性能较差，但具有高的断裂韧性、低的疲劳裂纹扩展速率和良好的抗蠕变性能。表1.1 不同显微组织类型对Ti-6AL-4V合金机械性能的影响17机械性能魏氏体组织网篮组织混合组织等轴组织拉伸强度10410310098屈服强度97.793.183.490延伸率9.513.51316.5断面收缩率19.5354045冲击韧性3.655.44.44.8断裂韧性329190疲劳极限42.749.650.753.3持续时间/h(400,60kgfmm-2)40018792蠕变残余变形/%(100,60kgfmm-2,100h）0.1250.1420.162(十)钛合金组织中，相的含量对组织稳定性的影响非常明显，随相含量升高，蠕变后拉伸塑性轻微升高，这是由于相含量升高，使转变相基体的晶粒细化，同时相中稳定元素含量增加，导致转变基体中相含量升高，使裂纹扩展变难。1.2.3 (十)钛合金的锻造与组织图1.1 两相钛合金全锻造时的组织形成过程示意图钛合金锻件的组织在很大程度上取决于变形温度和速度条件3。根据变形条件，(+)钛合金的变形过程可分为全锻造、(+)两相锻造和亚锻造18。1) 全锻造若变形完全在相区进行，则称为全锻造。见图1.1，合金在相区进行塑性变形时，组织的形成过程由晶粒形成阶段和晶内组织形成阶段组成。在相区塑性变形时，随着变形程度的增大，晶粒被压扁，沿金属的流动方向被拉长。然后相开始动态再结晶和聚集再结晶，使晶粒长大，甚至超过原始尺寸。当合金在转变温度以上结束变形后，在冷却过程中，温度降至相变温度时，便发生转变，沿原晶粒的边界首先析出条状的相，然后沿晶间依不同的位向析出呈交叉平行排列的片状相，即形成所谓的魏氏组织。2) 两相锻造图1.2 两相钛合金（十）两相锻造时的组织形成过程示意图钛合金通常在低于转变温度(十)两相区内进行加热变形，称为(十)加工，即“常规锻造”。图1.2为具有片状组织的合金在(十)两相区进行塑性变形时形成的不同类型组织。与相区塑性变形不同，在(十)两相区进行塑性变形时，晶粒和片状相同时被压扁并沿金属流动方向被拉长和破碎。晶界和晶内的相的差别逐渐消失。在经过大于6070%的变形程度后，便不再遗留片状组织的迹象。在一定温度和变形程度下，合金发生再结晶，而且相的再结晶比相的再结晶来得快。再结晶后的晶粒是球状的初生等轴晶粒。许多研究表明，(十)钛合金的强度、塑性、热强度和疲劳等性能要得到最好的配合，显微组织中等轴初生相含量和片状相之比应控制在( 2030% )/(8070%)。为了得到这种组织，锻造加热温度必须控制在低于转变温度1030范围内。但是，要稳定地保证在这样的变形规范下进行锻造，特别是在制造形状复杂的模锻件时，只有在等温条件下并准确测知转变温度时才能实现。而在一般锻造条件下，为避免组织粗化，宜略为降低锻造温度并在此温度下进行热处理。3) 亚锻造在铸锭开坯时，常用在相区开始锻造，在(十)两相区结束锻造的方法，称为近锻或亚锻，其锻后所形成的组织主要取决于在(十)两相区内的变形程度。由图1.3可知，当变形程度大于(5060%)时，所得的显微组织相似。而在变形程度较小时得到的组织中有针状和等轴状相交替存在，即存在局部组织的不均匀性。类似组织不均匀性产生的原因是，合金在相区温度下开始变形，然后随图1.3 两相钛合金亚锻造时的组织形成过程示意图着合金温度降至转变温度，从相中开始析出沿晶粒边界分布的、富集稳定元素的针状相，而晶内针状相只在温度继续下降时才析出。晶界上早已析出的针状相在(十)相区的温度下受到了很大的塑性变形，因此比晶内针状相锻得透，也更早发生再结晶从而成为球状的晶粒。若再结晶来不及进行，则这部分组织呈细小针状结构，比晶内的针状结构还要细小。1.3 数值模拟技术1.3.1 数值模拟技术的发展历史与传统的成形工艺相比，现代塑性加工技术对毛坯与模具设计以及材料流动控制等方面要求更高，所以采用基于经验的试错设计方法已不能满足实际需求，引入以计算机为工具的现代设计分析手段已成为人们的共识。20世纪80年代以来，CAD和CAE等单元技术开始运用到塑性成形工艺分析、规划与模具设计上。随着这些单元技术的不断发展，近年来通过它们的继承形成了基于知识的成形专家系统，并且有朝着集成化的塑性加工虚拟制造系统发展的趋势。作为系统必要支撑技术的计算机数值模拟技术，早已受到世界各国尤其是发达国家的高度重视，在国外已有不少塑性有限元商品软件推出，并在许多国家的研究部门和生产企业中得到应用，如美国的DEFORM、MARC和法国的FORGE等等。然而，作为塑性加工行业整体来讲，目前仍处于以经验和知识为依据、以“试错”为基本方法的工艺技术阶段。塑性加工生产一般是根据市场需求，对制品制定加工工艺规程然后进行生产，其中最关键的环节是模具的设计和制造。模具的设计与制造合理与否，直接决定着能否生产出满足要求的制品。模具的设计与制造过程需要经过设计、试制、再修改设计的多次反复，导致模具的制造周期长、成本高，而失去了市场竞争的优势。解决上述问题的途径是将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过程虚拟仿真（模拟分析）显得尤为重要。对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工制造之前，检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动规律，预测是否产生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。这样，可以确保工艺、设计和模具制造一次成功，主要问题在设计阶段就完全解决，使塑性加工进入以模型化、最优化和柔性化为特征的工程科学阶段，提高塑性加工行业的科学化水平。1.3.2 数值模拟技术的分类目前工程技术领域内常用的数值模拟分析方法有:有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法等，从实用性和应用的广泛性角度出发，有限单元法是最常用且求解精度较高的工程计算方法之一。用有限单元法(FEM)对金属成形过程进行数值模拟，起源于上世纪60年代，早期的研究工作中，用此法对小塑性应变问题进行模拟，得到了较精确的解。上世纪80年代中期以前，由于计算机硬件限制和一些具体实施技术的不完善，使刚塑性/刚粘塑性有限元的研究仅仅是学术性的，且只能分析简单的二维问题。由于计算机的普及和数值计算方法的改进，使数值模拟的理论及技术在体积成形过程中的应用得到了迅猛发展，与前几年相比，研究的重点有所转移，由宏观模拟转向微观模拟;由单一分散的模拟转向耦合集成的模拟，如流场与温度场的耦合、温度场与应力应变场的耦合、温度场与组织场的耦合、应力/应变场与组织场的耦合分析等；由共性通用的模拟转为特性专用型的模拟，如特种加工工艺、缺陷机理及消除等。近期的研究主要集中在以下几个方面：1) 成形过程优化在成形过程设计中有限元模拟起着非常重要的作用。设计软件通常把最终成品件作为开始点，按逆向的成形路径进行仿真模拟，利用有限差分的灵敏性，采用基于目标函数最小化的算法，这种方法已成功地应用于稳态挤压和非稳态锻造工艺。在非稳态锻造中，通过搜索目标函数总的变形能、平均变形或微观结构的平均值等的最小值，可设计出预锻件的形状。2) 反向模拟技术反向模拟技术最早由S.Kobayashi提出，反向模拟时，从一给定的最终形态，沿着相反的加载路径，反向模拟实际工艺过程，说明影响实验和结果的各种因素的影响效果。这种方法的基本原理是搜寻能产生最小误差范数的材料常数，误差范数定义为工艺参数的实际测量值和计算值之间的差，用最优化技术寻找目标函数最小值。反向模拟技术主要用于估计材料性能和确定工艺参数，还用于估计模具和工件接触面间的热传导系数以及材料的热性能等，此时，目标函数取为在工件和模具中不同位置的温度实测值与计算值之差。反向模拟技术在金属体积成形中的应用始终没有取得突破性的进展，其主要原因是从最终形态反向模拟时，无法给定初始场量，因此获得的初始毛坯设计在理论上存在缺陷，无法估计设计所带来的误差，因此有待于进一步的研究。3) 微观结构演化对变形金属中局部微观组织结构演化的模拟要用热力耦合有限元模型,它能提供应变速率、应变及温度场等所需信息。J.Majta等人用微观结构演化模型预测了最终锻件的机械性能，把有限元解与传统的描述微观组织演化过程的方程相结合，用此法解决了HSLA钢坯锻造过程中的微观组织演化问题，得到了应变场、平均应力场、温度场和再结晶的晶粒尺寸场，通过各场的分布可知，作者所研究问题的变形是不均匀的，在模具下方有很大一块面积变形极小，结果此处的材料没有再结晶而使晶粒尺寸保持变形前的状态。国内的上海交通大学、北京钢铁研究总院、西北工业大学等也在微观结构演化模拟方面作了探索与研究，并取得了一定的成果。此外，人们的研究还集中在变形历史、应变集中、网格的自动划分和数值仿真新方法(包括无网格仿真19、自适应有限元法、刚塑性有限边界单元法(FBEM)、基于特征的有限元法20等)等方面，并都取得了一定的成果，但这些研究由于自身的局限性，并不能准确全面地描述难变形材料的等温模锻过程。1.3.3 有限元法在塑性加工中的应用有限元法在塑性加工问题中的应用始于本世纪七十年代前后。1967年，Marcal 和King首先建立了小变形的弹塑性有限元法，并用于分析二维塑性变形问题21。Prigogine提出了耗散结构理论22。之后，Gegel提出了材料动态模型法(Dynamic Material Modeling，简称DMM方法)，通过该方法确定了保证锻件组织性能稳定一致的锻造热力参数范围。1974 年，McMeeking 和Rice 提出了修正的Lagrange 有限元法（UL 法），和完全Lagrange 有限元法（TL法）23，促进了弹塑性有限元法的进一步完善，并解决了塑性加工领域中的一大批实际问题。1973 年，Lee 和Kobayashi 首次提出刚塑性有限元的Lagrange 算法，极大地推进了有限元法在塑性加工领域的应用。Kobayashi 及其合作者先后采用刚塑性和刚粘塑性有限元法分析了镦粗、挤压、轧制等体积成形问题以及板料的拉延、弯曲、缩口等成形工艺。Zienkiewicz 提出了刚塑性有限元的罚函数法，并对稳态挤压、轧制和拉拔过程进行了耦合计算。Rebelo与Alberti 等人则进行了非稳态成形过程的有限元热力耦合分析计算。同时有人尝试了晶粒度的预测模拟。Wu和Oh 等人开发了通用化程序ALPID，在此基础上又开发了DEFORM 系统。Oh 和Altan 等应用LPID 程序对各类成形问题进行了大量的模拟分析工作。本世纪70 年代，Sellars 等对碳钢、工业纯铝和工业纯铜板材轧制过程中的显微组织演化进行了数值模拟，建立了晶粒尺寸和再结晶体积百分比的半经验公式。1982 年，Mori 和Osakada 提出刚粘塑性有限元的体积可压缩法，并用于对挤压、轧制及孔隙材料成形过程的数值模拟。上述工作解决了有限元法在塑性加工中应用的基本问题。近年来，一些学者对三维金属成形问题进行了深入的研究，进一步拓宽了有限元法在塑性加工领域内的应用范围。80 年代，Yada 等人建立了碳锰低碳钢环轧过程中的晶粒尺寸与分布的数学模型。1990 年，Kopp 和Becker 提出了基于边界投影和迭代过程的二维网格动态划分算法。Yang 和Yoon 建立了适用于复杂型腔的三维网格“模式”重分算法(Modular Remeshing)。1991 年，Blacker 和Stephenson 提出了适用于任意边界轮廓的网格堆砌算法。1993 年，Nobuki 等提出了适用于有限元热力耦合分析的自适应网格重分算法。1991 年，Kopp首先将显微组织演化模型引入到非稳态锻造过程中，建立了低碳钢二维镦粗过程中晶粒尺寸和再结晶体积百分比的经验公式。1995年，Shivpuri等人对高温合金Waspaloy 的二维镦粗过程进行了数值模拟，并预测了锻后饼坯中的晶粒尺寸和再结晶体积百分比24。目前，在二维体积成形方面应用刚塑性、刚粘塑性有限元法已十分成熟。国内外学者对一些简化模型或特定的体积成形过程进行了三维有限元模拟:Tang等用Deform 3D对三维轧制和无飞边桥十字轴三维锻造进行了模拟；Yang等对大量的三维挤压、锻造过程进行了计算；Chenot等用FORGE3对连杆的粉末锻造和圆冲头压入半无限平面进行了三维模拟；Martins等对六角螺栓的墩头工艺进行了模拟；Kim等用Deform 3D对铝连杆的三维锻造和线材的三维锻压进过程进行了模拟；Rodriques等进行了三维开式模锻的模拟；Mamalis采用隐式有限元软件Marc和显式有限元软件Dyna3D分别计算了一个三维斜齿轮的精锻过程，并给出了对比结果；Szentmihali等用FORGE3对斜齿轮的三维锻造进行了计算；Coupez用FORGE3模拟了三叉轴的三维锻造过程；Pillinge分析了铝连杆的锻造过程；Shin等分析了不同形状的三维挤压过程。在国内，同样也进行了很多有关三维数值模拟方面的研究。王忠金在假设预锻毛坯形状的前提下对连杆终锻过程进行了模拟25；陈军对连杆毛坯滚挤、径向挤压、方坯反挤压等成形过程进行了模拟；王广春对三维摆碾过程进行了模拟26；单德彬对机匣的三维挤压过程进行了模拟27；章隆长采用混合的欧拉一拉格朗日法模拟了三维十字型腔的挤压过程28。大多数的国内外的这类研究都将实际生产中的工件形状加以简化，较少有带飞边桥的复杂形状锻件的多工位成形三维有限元分析实例，其原因是体积成形三维有限元仿真的一些关键问题还未得到较好的解决，如多工位体积成形过程仿真的信息传递、三维六面体网格再划分技术，三维模具几何信息的精确描述、可靠的动态边界条件处理等。同时应该指出，这些方法对显微组织演变过程的研究均采用数学模型或经验公式来描述，实际上，各影响因素的协同作用下，每种因素的微小变化都会对航空难变形材料的锻后组织和性能产生重要的影响。材料的锻造过程是一个非常复杂的热学和力学过程，它具有非线性特征，在成形过程中还常伴有热力耦合作用。金属和合金的热成形过程能否成功，与正确选择和遵守变形热力规范密切相关。当锻造热力参数容差小、范围窄，且设备控制方式和精度又跟不上时，就会严重地影响到产品的质量和质量的稳定性。目前，国内外对材料热成形的模拟多集中于数学模拟法，数学模拟法又集中于有限元数值模拟方法，通常使用的物理模拟只是为有限元数值模拟提供必要的基础性数据。也就是说，锻件显微组织的演变过程与各工艺参数之间的关系相当复杂，很难以某一具体公式或数学模型来描述。此外，许多学者还进行了界面摩擦和换热、任意边界条件处理等方法的研究。利用有限元数值模拟结果优化工艺和控制产品质量是塑性加工领域的前沿研究方向，尤其是对于热塑性成形的研究，已经不局限于金属的塑性流动行为或局部热力参数分析，而着重于内部微观组织的变化过程和力学性能的预测与控制。1.4 课题主要研究内容及研究方法1.4.1 课题主要研究内容钛合金属于难加工材料，不易成型，变形抗力大。而等温锻造的种种优点，很好的弥补了钛合金的这些不足。因此，等温锻造成了钛合金的理想加工方法。等温锻造是一种新型成形工艺，国内外关于等温锻造成形工艺的资料较少。因此本文主要是研究钛合金等温锻造成型过程的软件模拟仿真。其研究内容如下：1) 锻件的材料为钛合金。其特点是锻造成型性能不佳，变形抗力大，属于难加工材料的一种。因而普通锻造难以满足要求；2) 锻件的外形复杂，壁厚相差甚大。采用普通锻造难以满足这些要求，而且材料利用率低1.4.2 课题主要研究方法鉴于钛合金的难成形及等温锻造的优点，本文针对以下几个方面展开研究：1) 设计锻造模具、毛坯；根据产品确定模具、毛坯的几何外形。2) 钛合金锻件等温锻造有限元数值模拟；对钛合金制件成形过程进行研究，确定锻件图，并使用DEFORM 3D软件，分析各种毛坯外形在等温锻造条件下对成形件的影响规律。3) 根据相似原理，铅坯料模拟钛合金等温锻造；在实际实验中补充有限元分析的不足，并对所选毛坯进行实验成形对比分析。4) 绘制制件、模具、毛坯的图纸。根据软件模拟的结果，以及试验的数据，得出毛坯的外形尺寸和模具相关尺寸。绘制相应的图纸。2 钛合金等温锻造铅坯实验模具设计2.1 钛合金成形工艺分析2.1.1 钛合金加热过程中的常见问题钛合金可在各类锻造设备上锻造。钛合金的锻造温度范围狭窄，变形抗力大，锻造钛合金锻件与锻造钢质锻件相比，前者需用更大吨位的设备。当用液压机模锻时，由于热金属与模具接触的时间长，锻件冷却快，因此有产生表面裂纹的危险。用模锻锤锻造钛合金时，由于锤头沉重打击所产生的热效应，有可能导致锻件局部过热，而使锻件组织不均匀。使用高速锤锻造钛合金时，更要注意局部过热的危险性。钛合金模锻主要采用单模膛。由于钛合金填充模膛的能力很差，所以必须增大模膛的圆角半径。形状复杂的或尺寸精密的钛合金锻件，常常需要比模锻钢质锻件更多的工步和相应的模具，同时锻造钛合金的锻模应做得大一些。钛合金粘模的现象比较严重，模膛表面粗糙度要求很低，通常锻模的表面粗糙度需要达到Ra0.2Ra0.1以下，以便减小变形阻力和改善金属的流动性。钛合金模锻时，必须使用润滑剂，润滑剂能形成良好的隔热层，并可减少模具的磨损。钛合金模锻件要在热态下切边，切边温度不低于600，以防断裂29。2.1.2 锻坯坯料准备钛合金加热的主要特点是在高温下与气体介质有极高的亲和力，以及在室温下导热率很低。对钛合金来说，氧、氢等是主要的有害气体。氧有两方面的有害作用。一是形成氧化钛层。低温下形成氧化皮，虽然很薄，但紧密粘在钛合金表面，一般靠酸洗工艺去掉；在高温（1000以上），不仅氧化得特别厉害，而且由于氧化选择进行，沿坯料表面各处的氧化层厚度是不同的，当除去氧化皮后，钛合金表面就出现凹凸不平的波纹状，致使锻件的表面质量降低。氧的另一个有害作用是，在高于630的温度下，钛合金表面发生吸氧现象，即氧从坯料表面向深度扩散。在相变温度以上，氧的扩散大大加快。在表面形成“脆化层”。氮也有同样的作用。钛合金加热时还要吸收氢，引起“氢脆”。因此，钛合金应当在电炉中加热，当不得不采用火焰炉时，应使炉子略带氧化气氛，以免坯料产生氢脆。无论何种炉子中加热，为了防止钛合金与耐火材料发生作用，炉底应垫以不锈钢板30。为了得到合格的钛合金锻件，对钛合金锻造用的原坯料必须严格要求。模锻件特别是有非加工表面的模锻件棒材，表面必须车削或打磨去表层。2.1.3 确定锻造温度、变形程度(+)型钛合金通常在退火状态下使用（如TC4），由于退火温度（一般为800）低于锻造加热温度，因此其组织和性能主要取决锻造工艺。按照传统的+锻造方法，合金是在+区（即低于转变点）加热锻造的，获得的高倍组织通常为等轴与条状混合组织，其相应的低倍组织通常为等轴组织或等轴与条状混合组织，其相应的低倍组织通常为沿主变形方向被拉长的轮廓模糊的晶粒组织。同属+锻造，锻前加热温度的高低将导致锻件中初生比例的差异，温度低于相变点越差，则初生所占比例就越大。在锻造过程中，如果由于变形效应导致金属温度超过锻前加热温度，则锻件高倍组织中初生的比例将取决于锻件的实际温度。对于锻压变形较大的锻件来说，变形的热效应问题更应该特别注意。等轴显微组织有较好的室温塑性（断面收缩率和伸长率）和疲劳性能，尤其是初生比例大的更是如此。因此，通常希望钛合金（特别是转子零件）具有等轴显微组织，而且要求初生比例不得低于某一数值（例如15%或20%），当初生比例低于此值时，就通称为过热组织。这就要求采用传统的+锻造方法锻造，而且要求锻造前加热温度至少低于相变点30，有时甚至低于80左右。但是，等轴显微组织的断裂韧性和高温蠕变抗力较差，特别是初生比例高的（例如初生占6085%）更甚。因此，从综合角度看，则应该设法把锻件组织中的初生比例控制在适当的温度范围之内（例如1545%），以期获得较满意的综合性能。这就要求把+锻造的加热温度（主要指最终一火的加热温度）控制在相变点以下30左右，则能更可靠地把初生比例控制在30%左右。这样，即使由于锻造温度偏低而使初生比例偏高，但经热处理后就能重新减少至适当的初生比例。对于钛合金锻件而言，对其综合性能要求较差，所以应该采用较高温度（例如，低于相变点30左右加热）的+锻造方法，以期获得初生比例适中（例如1545%）的显微组织。2.1.4 钛合金锻造过程中常见的缺陷由于钛合金的种种特性，其在锻造过程中常见的缺陷如下：1) 合金元素偏析和夹杂合金元素偏析和夹杂都是存在于锻件中的冶金缺陷。2) 铸造组织残留钛合金的铸造组织与钢相比，是较难破碎的。因此，如果采用的锻造工艺不当，就容易残留铸造组织，使伸长率、断面收缩率、疲劳强度等性能指标不符合要求。3) 原材料粗晶组织残留冶金厂供应的钛合金轧材，有时由于轧制温度高等原因而存在有粗大晶粒。用这样的原材料作坯料时，如果变形不足，则将保留粗晶组织，使性能不合格，甚至比原材料的性能还要低。4) 脆化层在+钛合金的加热过程中，可能出现脆化层。所谓脆化层，就是指钛合金锻件在高温下吸收氧和氢达到一定数量（如氧为45%）时，其表层组织相多数或完全被相所代替，形成钛与氧的间隙固溶体的脆化层，也就是去除氧化皮后金属表面的污染层。在钛合金，+钛合金和钛合金中都可能出现脆化层。不过合金对形成脆化层特别敏感，而钛合金在980以上温度锻造时，也会出现这种现象。脆化层能明显地降低零件的塑性、韧性和增加零件对缺口的敏感性，所以重要零件不能带脆化层使用，需经吹砂、酸洗或加工去除。5) 氢脆钛和钛合金的化学性质很活泼，在20时就吸收氢气，300时吸收氢气的速度就非常快。在低于/+转变温度，进入钛和钛合金中氢气溶于相中，不过溶解度较小。在+两相区内，氢在相中的溶解度比在相中的溶解度大很多。如果锻造或热处理加热炉内是还原性气体，加热时吸氢现象就更严重。在锻造或热处理后的酸洗中，以及与油等碳氢化合物接触中都可能增强吸氢现象。如果进入钛合金的氢过多，除去一部分溶入或+相中外，另一部分便要和钛化合成钛氢化合物而析出，使钛合金缓慢地变脆，即产生氢脆。这样的钛合金零件在工作过程中，在应力长时间作用下，对应力集中很敏感，冲击韧性和缺口抗张强度显著下降，致使零件产生脆性断裂。6) “脆性”“脆性”是+型钛合金和型钛合金锻件常见的质量问题。“脆性”是由于锻件过热引起的。其高倍组织是由完整明显的原始晶界和平直细长的魏氏所组成，即前面谈到的未经变形的魏氏组织。有“脆性”的锻件，塑性指标大幅度下降。“脆性”常由下列情况引起：（1）+锻造时，整个坯料（或局部）加热温度超过+/相变点，锻造变形量又较小，不能使原始晶界和粗大的魏氏组织发生改变而被保留了下来。（2）坯料加热温度虽在+/相变点以下，但一次变形量过大，由于热效应使温度超过相变点，也会引起局部过热。钛合金过热与钢不一样，它无法通过热处理的办法来消除“脆性”，只能通过两相区的大变形来破碎、细化组织、改善性能。因此，为确保钛合金锻件的组织性能要求，必须严格控制锻造加热温度及变形的各项参数，并在产品检验对晶粒大小应有收缩的要求。消除“脆性”的措施是：（1）选择合适的锻造加热温度。目前国产的TC4钛合金原材料，其+/温度变化较大，对于某些炉号的原材料，其值较低，仅为950左右（据一般资料报导，TC4相变温度为950左右）。如采用通常的（960970