TA1钛合金药型罩剪切旋压成形塑性变形规律的数值模拟研究

目的TA1钛合金作为药型罩材料,具有提高穿深和侵彻孔径的优异表现,但其剪切旋压成形过程中塑性变形规律复杂且难于控制,以期通过有限元数值计算解析多工艺参数的协同作用。方法建立了TA1薄壁锥形件结构旋压加工过程的三维非线性热-力耦合有限元模型,研究了TA1从圆形板坯到锥形件旋压全过程的金属塑性变形行为、应力及应变的变化。采用正交实验分析了旋轮进给速率、芯轴转速与板坯厚度对成形过程的旋压力以及成形样件的内径偏差和壁厚偏差的影响规律。结果结果表明,锥形件侧壁的塑性应变沿母线方向逐渐减小,最大应变值出现在靠近锥形件顶部的小端面位置。旋压载荷随旋轮进给速率与板坯厚度增加而增加,随芯轴转速增加而减小。内径偏差随进给速率与板坯厚度的增加而减小,与芯轴转速的相关性较小。壁厚偏差随进给速率的增加先减小后增大,随芯轴转速与板坯厚度的增加而减小。结论基于数值模拟结果,获得TA1薄壁锥形件的优化工艺参数为:旋轮进给速率300mm/min,芯轴转速260r/min,板坯初始厚度4mm。开展了TA1钛合金剪切旋压成形实验,所得锥形件尺寸与模型计算结果一致,验证了模型的准确性。

TC1钛合金焊接工艺的应用研究

针对飞机上钛合金防护栅焊接修复过程中易出现焊接裂纹、钨极氩弧焊焊接质量不稳定等问题对钛合金防护栅焊接工艺进行优化,研究不同焊接电流和氩气流量对TC1钛合金对接焊缝组织和力学性能的影响。研究表明:TC1钛合金板材(δ1.2 mm)在焊接电流为40 A、氩气流量为6 L/min时,焊接接头成形优良,焊缝微观组织均匀,焊缝区晶粒细小,热影响区由粗晶区和细晶区组成;焊接接头的抗拉强度为364.23 MPa,延伸率为10.96%,随着电流的增大,抗拉强度逐渐减小,延伸率先增大后减小;当氩气流量增大时,抗拉强度逐渐减小,断后伸长率逐渐增大;不同焊接参数下接头的硬度分布趋势大致相同。

TC1钛合金板激光切割热影响区组织分布

为了研究激光切割方法对切割件的影响,通过对激光切割后的十六组TC1板进行横向取样,采用金相显微镜的手段,研究了激光切割工艺对TC1钛合金切割热影响区显微组织的影响。热影响区分成两部分,一部分是非熔化区,另一部分是切割缝边缘的熔化区。结果表明:TC1钛合金的原始组织由等轴的α相和与之相间分布的黑色β相组成,其基本相由α相和β相组成。整个热影响区的组织由内向外晶粒逐渐变大。非熔化区明显比熔化区晶粒细小,组织特征为胞状晶,组织中的β相发生了马氏体转变,由初生的α相和针状马氏体组成。

热处理制度对TC8-1钛合金组织和性能的影响

为了提高TC8-1钛合金的性能,对TC8-1钛合金热处理制度进行研究。通过采用不同固溶温度和时效温度处理,分析了热处理制度对TC8-1钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：随着固溶温度的升高,合金中等轴初生α相含量由65%下降至25%,β转变组织明显粗化,合金由等轴组织转变为双态组织,合金的室温强度降低,而塑性略有提高;随着时效温度的升高,合金中等轴初生α相含量无明显变化,合金的抗拉强度略有降低,而塑性无明显变化。经930℃×2 h,空冷（AC）＋580℃×1 h,空冷（AC）热处理后,TC8-1钛合金可获得强度与塑性的较佳匹配。

粘接剂对TA1钛合金异质板T型自冲铆接工艺影响研究

制备了TA1钛合金板与5052铝合金板或Q215镀锌钢板的异质T型自冲铆接头和异质T型粘接-自冲铆复合接头。通过剖面直观观察了接头成形质量,分析了宏观失效机理。基于剥离实验对比了各组接头的最大剥离载荷均值及能量吸收性能。结果表明:粘接剂(3M-DP460)对自冲铆接头成形质量影响较大,其大大提高了T型自冲铆接头的缓冲吸震能力;粘接剂对TA1-5052T型自冲铆接头失效形式无影响,但其改变了TA1-Q215T型自冲铆接头混合失效形式的分布;与TA1-5052T型自冲铆接头相比,其复合接头的最大剥离载荷均值降低了1.2%,粘接剂使TA1-Q215T型自冲铆接头的最大剥离载荷均值降低了6.1%。

TC8-1钛合金大规格棒材的研制

为满足我国航空发动机对高温钛合金的需求,开展了TC8-1钛合金铸锭及其大规格棒材的研制。结果表明,研制的820 mm TC8-1钛合金大型铸锭成分均匀、冶金质量良好。制备的130~200 mm大规格棒材的室温及高温力学性能、热稳定性能、持久性能、蠕变性能和显微组织均符合技术标准要求,能够满足某型号发动机用材需求,填补了国内空白。同时测定了TC8-1钛合金的线膨胀系数、热导率等物理性能数据,为该合金的应用提供参考。

TA1钛合金单搭自冲铆接头微动磨损机理

对TA1钛合金单搭自冲铆接头进行疲劳实验研究接头失效形式;用扫描电子显微镜和X射线能谱线扫描研究铆钉各部位微动磨损程度的差异和接头微动磨损机理;采用威布尔分布验证数据有效性。结果表明:接头疲劳失效形式主要为上板断裂,高周疲劳均为上板断裂,低周疲劳为上下板混合断裂;微动磨屑包含氧、钛、锌和锡元素,铆钉头部微动磨损程度高于铆钉腿部。微动磨损区出现严重脱层、微动磨屑堆积和微裂纹萌生等现象,随着微动磨损及剪切力共同作用导致接头断口部位出现大量微裂纹并逐步沿深度和宽度方向扩展为宏观裂纹,最终导致接头疲劳失效。

TC1钛合金板材热加工性能研究

目的研究新一代飞机用TC1钛合金板材在不同温度和应变速率下的热塑性变形行为,进行热变形本构建模,构建热加工图。方法在Gleeble-3500热模拟试验机上开展TC1钛合金板材在温度为500~650℃、应变速率为0.01~0.0001 s^(-1)条件下的等温恒应变速率单向拉伸试验,利用应变补偿的双曲正弦模型进行热变形本构拟合,绘制热加工图。结果在同一温度下,TC1钛合金的流动应力随应变速率的减小而降低,但伸长率增加,最大断裂应变增大;变形温度在500℃时,加工硬化占据主导地位,随着温度升高至550、600、650℃,硬化阶段变短,应力达到峰值后很快下降,发生软化,此时热软化占主要地位。结论建立的应变补偿的双曲正弦本构模型能够有效描述TC1钛合金板材在不同温度和应变速率条件下的热塑性变形行为;根据建立的TC1钛合金板材热加工图,可以确定其热加工工艺窗口为600~650℃、0.0001~0.001 s^(-1),为TC1钛合金板的热加工提供科学指导。

TA1钛合金板异质粘接-自冲铆复合接头力学性能研究

以TA1钛合金异质单搭粘接-自冲铆复合接头为研究对象,通过剖面直观检测法观察了接头成形质量。基于静力学实验对比了各组接头的静失效载荷及能量吸收性能,分析了各组接头失效模式。结果表明:三种粘接-自冲铆复合接头都具有良好的成形质量,其中TA1-5052复合接头钉脚张开度最大,铆钉刺入深度最深;TA1-Q215复合接头的静失效载荷最高,其能量吸收性能最优;三组接头胶层失效形式皆为基板与胶层粘接界面上的次价键被破坏,当上下板屈服强度差别较小时,接头失效形式为内锁破坏失效;反之,屈服强度较低的板断裂。

TC1钛合金的高温流变行为

通过试验研究了TC1钛合金在变形温度为650~750℃、应变速率为0.000 5~0.01s^-1条件下拉伸时的流变应力及组织演变规律;利用改进的Hooke定律和Grosman方程建立了TC1钛合金在高温下的应力-应变本构模型。结果表明：在应变速率一定时,TC1钛合金的流变应力随温度升高快速下降,当温度达到700℃并继续升高时,流变应力下降减缓;当变形温度一定时,流变应力随应变速率的增加而快速增大;TC1钛合金在700℃变形时,低的应变速率可以促进动态再结晶的发生;依据拉伸试验数据建立的本构方程能够较准确地反映TC1钛合金在高温下的流变行为。

基于非关联Hill48塑性模型的TC1钛合金板本构模型

采用非演化型和演化型非关联Hill48塑性模型对TC1钛合金板建立了本构模型,并采用新的各向异性指数r值确定方式以及特定的r值-塑性应变拟合函数,得到在两种模型下的屈服轨迹。结果表明:采用非演化型非关联Hill48塑性模型对描述TC1钛合金板应变的各向异性行为产生较大影响,其中采用流动势函数得到的屈服轨迹等双拉点应力相比于采用塑性位势函数的屈服轨迹时增加21%。而演化型非关联Hill48塑性模型同样对于描述TC1钛合金板应变的各向异性行为产生较大影响,其中采用演化型非关联Hill48塑性模型的流动势函数得到的屈服轨迹的等双拉点应力相比于采用非演化型非关联Hill48塑性模型的屈服轨迹时降低26.6%。

TC11钛合金中板的研制

把用黄金分割点(0.618)作为工艺参数选择的切入点,进行了TC11钛合金中板的研制工作。结果表明:工艺参数的确定是可行的,大大简化了研制过程,在较短时间内完成板材的研制任务,中板的性能满足GB2218-94要求。

基于PAMSTAMP2G TC1钛合金超塑成形研究

通过单拉试验,采用速度突变法测得TC1在820℃时的应变速率敏感性指数。基于有限元软件PAMSTAMP2G对复杂TC1钛合金零件进行超塑成形的数值模拟。采用恒压法对9种不同的成形压力进行有限元模拟,得出在不同成形压力下的板料厚度分布云图。通过云图分布得出随着压力的增大板料最小厚度变化规律,由此选择出较为合理的成形压力进行超塑成形试验验证。试验结果表明:模拟值与试验值吻合良好。

TA1钛合金的表面复合强化与磨损行为研究

目的 针对钛合金硬度低、耐磨性差的问题,利用机械球磨技术在TA1钛合金表面获得复合强化层,研究强化层的组织结构对合金磨损行为的影响。方法 采用行星式机械球磨装置,以WC粉末为增强介质,在0.05 MPa氮气气氛、转速为350 r/min、时间为8 h的条件下,对TA1钛合金进行表面机械变形+固相涂层复合强化处理,利用光学3D轮廓仪、XRD、SEM-EDS、往复式磨损机等对复合强化层的组织结构和耐磨性能进行测试。结果 当表层机械复合强化后,TA1钛合金表面的复合强化层由WC涂层+形变细晶区组成,硬化区厚度为20~40μm,形变细晶区厚度约为30μm。涂层区硬度达到1 100HV0.25,为基材硬度的5倍。在5 N载荷下,摩擦因数为0.2~0.3,并可保持近4 000 s,在10 N载荷下,摩擦因数接近0.2并可保持1 200 s。可将磨损过程分为低摩擦因数区、过渡区和高摩擦因数区3个阶段,且每阶段的磨痕深度、磨损量与摩擦因数具有正相关性。结论 表层机械复合强化可大幅提升TA1钛合金表层的硬度和耐磨性,WC颗粒增强涂层具有较强的减摩效果,其磨损机制主要是磨粒磨损与氧化磨损。这种一步法表面强化技术具有工艺简单、能耗少、涂层选材灵活的优势。

轧制温度对TC8M-1钛合金棒材组织和力学性能的影响

研究了两种轧制温度对TC8M-1钛合金Ф20mm棒材组织和力学性能的影响。实验采用同状态的原始棒坯分别在T_(β)-60℃和T_(β)+20℃进行同等变形量的轧制。试验结果表明:T_(β)-60℃和T_(β)+20℃轧制的TC8M-1钛合金棒材的显微组织分别为等轴组织和网篮组织;网篮组织室温拉伸强度、冲击韧性均略高于等轴组织,但其塑性较差。

熔炼工艺对TC1钛合金铸锭中Mn元素分布的影响

目的针对在TC1(Ti-2Al-1.5Mn)钛合金铸锭真空自耗熔炼过程中Mn元素不易控制的技术难点,对Mn元素进行合理控制。方法通过在熔炼不同阶段向炉内选择不同的充氩压力进行充氩保护熔炼来探讨铸锭中Mn元素的分布。结果与结论当采取低熔炼电流、两次充氩且充氩压强为8 000Pa时,铸锭中Mn元素挥发量得到有效抑制,且保证了Mn元素分布的均匀性。

TC1钛合金端盖零件热拉深成形工艺研究

针对TC1钛合金端盖零件的结构特点,分析了零件的成形难点,对热拉深工艺的模具材料、温度、压边间隙、拉深速度等对零件成形性能的影响进行了研究,提出了合理的工艺参数。结果表明,该工艺方法可实现薄壁、大拉深比的TC1钛合金零件的精确成形,采用空气脱模的方式可获得平面度满足设计要求的零件,为类似零件的取件提供了工艺参考。

β相区锻造变形量对TC1钛合金板坯组织和性能的影响

通过增加β相区锻造变形量研究了TC1钛合金板坯组织和性能的变化,用金相显微镜观察了微观组织,并测试了力学性能。结果表明：增加β相区锻造变形量后,TC1板坯的心部晶粒尺寸及组织均匀性改善较明显;并使板坯各部位晶粒破碎更加充分,长条状α晶粒被破碎成近似等轴状的晶粒,整板的组织均匀性更高。由于晶粒的细化及组织的均匀性提高,使TC1板坯的力学性能及均匀程度均提高。

TC1钛合金宽幅薄板轧制工艺研究

对比分析了包覆叠轧和冷轧两种工艺制备TC1钛合金宽幅薄板表面质量、组织形貌和力学性能,并研究了成品退火温度对冷轧板材力学性能和组织的影响。结果表明：这两种工艺生产的TC1钛合金薄板力学性能均可满足GJB 2505A—2008要求,冷轧工艺生产的TC1钛合金成品板材表面质量良好,性能稳定,晶粒更为细小;冷轧板材成品退火温度控制在550~580℃较为适宜。

TC11钛合金热旋压成形的组织及性能研究

利用金相、X射线衍射、透射电镜及万能拉伸试验机等测试手段,研究了TC11钛合金热旋压成形的组织、物相、微观结构和力学性能。结果表明,热旋压变形后,TC11钛合金的洛氏硬度提高了27%,强度达到了1200MPa;热旋后TC11钛合金组织呈纤维状,α-Ti相晶粒折优取向由(101)晶面向(002)晶面转变,β相被次生α相隔断,呈不连续形貌,β转组织有小长宽比的α柱条,次生α相及颗粒物弥散分布在TC11钛合金的基体组织中。热旋压变形后的这种微观组织结构,使TC11钛合金在宏观上表现出强度和塑性良好的综合力学性能。