热等静压制备TC4合金内筋圆筒件的组织与力学性能

采用有限元模拟技术研究TC4合金内筋筒形件在热等静压(HIP)过程中的致密化行为,通过响应面技术获得优化的HIP工艺参数,并开展优化工艺条件下的HIP实验;分别对HIP制备TC4合金内筋筒形件的不同部位开展致密度、力学性能测试以及微观组织和断口形貌表征。结果表明:TC4合金内筋筒形件的外表面优先致密,筒壁和筒底芯部的致密度最高,HIP压力对致密化的影响高于保温保压时间对致密化的影响;HIP制件筒壁和筒底的组织致密均匀、室温拉伸性能接近,筒壁室温拉伸性能均略优。350℃时,筒壁和筒底的拉伸性能差值进一步缩小,抗拉强度保持率达到近70%。室温和350℃拉伸变形试样均以韧性断裂为主的断裂特征。

TC4合金斜Ⅰ型截面环件轧制工艺研究

目的提升钛合金异型环轧制时的填充效果,提高成形精度,确定轧制型腔对环件成形质量的影响。方法以TC4合金斜I型截面环件为研究对象,设计了开式与闭式2种轧制型腔,对该环件的轧制过程进行了研究。建立了斜I型截面环件的有限元模型,基于有限元模拟结果全面分析了不同轧制型腔对环件等效应变、温度分布以及型腔填充效果的影响规律。结果与开式型腔相比,闭式型腔轧制的环件具有更优的等效应变和温度分布,型腔填充情况也明显更优,填充率在96%以上,进而确定了闭式型腔的轧制方式。采用设计的闭式型腔进行了环件轧制试验,试验环件尺寸与模拟结果吻合良好,误差在0.3%以内,同时组织性能均能够满足生产要求。结论选择闭式型腔轧制可以有效提升钛合金异型环轧制时的填充效果,提高成形精度,提升环件成形质量。

TC4钛合金板电磁感应加热渐进成形的尺寸精度研究

进行了TC4钛合金板电磁感应加热渐进成形的尺寸精度试验,通过单因素试验研究了感应电流、层进给量、工具头直径和成形角度对尺寸精度的影响规律。结果显示在电磁感应加热渐进成形中,尺寸精度随着电流的增大而提高,随着刀具直径的增大而提高,随着层进给量的增大而降低。增大感应电流和工具头直径能显著提高构件的尺寸精度,但对同一误差的影响程度并不相同;各因素对底部鼓凸误差影响最为显著。

晶粒尺寸对TC4钛合金超塑性行为及变形机理的影响

研究了不同晶粒尺寸(2,8,18μm)TC4钛合金在温度860～950℃和应变速率5×10^(-4)～5×10^(-3) s^(-1)条件下的超塑性拉伸变形行为及组织演变,分析了晶粒尺寸对该合金超塑性变形行为及变形机理的影响。结果表明:在温度890℃、应变速率5×10^(-4)s^(-1)的变形条件下,细晶(2μm)合金超塑性变形的断后伸长率高达1 300%,而粗晶(18μm)合金的仅为450%;细晶(2～8μm)合金超塑性变形后,平均应变速率敏感指数m值在0.50左右,晶粒保持较好的等轴状,在α/α晶界、α晶内均未观察到明显的位错,在α/β晶界附近发现少量的位错;粗晶(18μm)合金超塑性变形后,m值仅为0.30,晶粒等轴程度下降,在α/α晶界及α晶内均发现大量位错,且在α晶内发现亚晶。

TC4钛合金盒形件超塑成形工艺

采用气压胀形方法对TC4钛合金某一特殊盒形结构件进行了超塑成形(SPF)。实验结果表明,在有限元模拟的基础上,成形温度为850℃,最大进气压力为1.5MPa时,成形时间为40min。超塑成形后的最佳取件温度为500℃。零件厚度分布率与有限元模拟结果大致相符合,减薄率最大处达53.7%。该工艺条件下成形的零件,其微观组织变化不大。

α相尺寸对等轴TC4合金两相区热变形行为的影响

对α相平均尺寸分别为6μm，12μm，20μm的等轴TC4合金在890～950℃，应变速率0．1—10s^-1范围进行等温热压缩实验，并研究了初始“相尺寸对合金高温变形行为的影响。微观组织和动力学分析表明，等轴TC4合金变形的热激活过程受相变和晶粒长大作用的综合影响，计算获得的激活能偏大。在初始α相尺寸较小（6μm）的情况下变形，晶粒易于吞并长大，使变形后的组织粗化；在初始α相尺寸增大（12μm）的情况下会促进相变过程的进行，获得的变形组织中α相尺寸较细小；初始α相尺寸进一步增大（20μm），则变形组织的晶粒尺寸基本不再发生变化。

钻削TC4钛合金薄壁件时钻削力的仿真研究

为提高钛合金TC4的可钻削性、减小对刀具的磨损,利用有限元分析软件ABAQUS对TC4钛合金薄壁件钻削加工过程进行动态仿真,获得钻削加工过程中钻削力的变化特征以及钻削参数对钻削力的影响规律,并分析应力的分布规律。仿真结果表明:在钻削厚度小于钻尖高度的薄壁件时,在钻头主切削刃与副切削刃的交点切入工件时钻削轴向力和扭矩达到最大;钻削轴向力和扭矩随着主轴转速和进给量的增大而增大,且转速和进给量越大,这种变化越明显;钻削时的最大应力分布在横刃和主切削刃与工件的接触部位。

TC4钛合金筒形件分瓣热胀形工艺研究

研究了分瓣热胀形模具结构、模具材料及其工艺参数等对钛合金筒形件胀形精度的影响。结果表明，分瓣热胀形是高精度钛合金筒形件的一种有效成形方法，分瓣热胀形TC4钛合金φ200mmx700mm筒形件的径向尺寸精度和母线直线度分别达到±0.03mm和0.11-0.17mm。

GH4169合金、TC4合金环件残余应力的测试

采用X射线衍射法和盲孔法对相同成形工艺下相同尺寸GH4169合金、TC4合金环件的残余应力进行测试。结果表明,材料的属性对工件残余应力的分布及大小有显著影响;距离TC4合金环件表面2.5mm深处残余压应力数值范围为100~180 MPa,且无明显的周期性变化;在相同条件下,TC4合金环件的残余应力明显小于GH4169合金环件的残余应力。

TC4钛合金复杂方锥形件热介质成形工艺仿真研究

利用热介质成形技术对TC4钛合金复杂方锥形零件进行了拉深过程计算分析,并与传统热冲压工艺的模拟结果进行了对比。结果表明,热介质成形工艺中运用柔性的固体颗粒介质代替刚性凸模,能有效改善成形零件的壁厚均匀性,降低起皱趋势,提高成形质量。

TC4钛合金薄壁筒形件反挤压成形及微观组织演化

利用Thermecmaster-Z型热模拟试验机进行温度为850~1050℃、应变速率为0.01~1 s^(-1)的高温热压缩实验,分别构建了TC4钛合金在α+β两相区与β单相区的本构方程和动态再结晶模型。采用DEFORM-3D有限元分析软件对不同条件下TC4钛合金薄壁筒形件反挤压成形时的载荷-行程曲线、动态再结晶百分数及晶粒尺寸分布进行了模拟,并与实验进行对比。结果表明,在变形温度为1000℃,反挤压速度为100 mm·s^(-1)时,得到的反挤压件晶粒尺寸最小。此外,反挤压实验与数值模拟所获得的载荷-行程曲线基本相符,最大相对误差约8.7%;反挤压后各部位金相组织及晶粒尺寸差异较大,但均小于最大相对误差22.8%。

TC4钛合金锥形件叠层超塑成形工艺研究

为了提高锥形件超塑成形效率,提出了叠层超塑成形工艺及高温进出炉成形方案,并采用正反向超塑成形方法以提高壁厚分布均匀性。通过对超塑成形过程自由胀形阶段与贴模成形阶段进行的力学解析,得到了最佳等效应变速率条件下的气压加载曲线。以此为基础,对单层正向成形、单层正反向成形及双层正反向成形进行了920℃超塑成形实验研究。结果表明,正反向成形可显著改善锥形件壁厚均匀性。在双层正反向成形条件下,锥形件最大截面圆度为0.05 mm,最小壁厚为1.01 mm,型面尺寸及壁厚分布均满足使用要求,下层零件的壁厚均匀性较差。叠层超塑成形工艺及900℃装出炉方案可行有效,可使锥形件超塑成形效率提高1倍以上。

多台阶TC4非对称轴类零件楔横轧成形研究

为实现某TC4非对称轴类件的精密制造,本文中研究楔横轧成形工艺并根据零件特征设计板式楔横轧模具,使用有限元模拟软件进行不同温度下的仿真模拟,分析了轧件在600、800、1000℃三个轧制温度下成形过程的温度、应力-应变以及损伤分布,结果表明:轧制温度1000℃时轧件的成形效果最佳且尺寸精度最高。通过高精度板式楔横轧机进行实验验证,实验与模拟结果吻合,轧件组织沿径向分布存在梯度,并无明显缺陷,达到目标需求。

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造(3-D打印)作为一种近净成形技术,为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径,但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题,采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件,研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响,测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明,变形主要在薄壁件顶层两侧,最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间;当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时,试件变形最小;当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时,试件残余应力最小;薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。

薄板TC4钛合金TIG电弧和激光焊接接头晶粒尺寸与微观组织

对薄板TC4钛合金进行TIG电弧和激光焊接技术研究,重点分析了TIG焊接电流、焊接速度和激光输出功率对TC4钛合金焊接接头晶粒尺寸、微观组织和显微硬度的影响规律.试验结果表明,在实现薄板TC4钛合金完全熔透的条件下,激光焊接具有更小热输入,接头焊缝区和热影响区宽度也显著降低.TIG焊接接头晶粒尺寸随热输入增加,呈现增加趋势.随距焊缝中心位置增加,焊接接头晶粒尺寸均逐渐降低.TC4钛合金激光焊接接头焊缝区呈现魏氏组织特征,针状α'马氏体细小.近缝热影响区组织为网篮状α'马氏体,而近母材热影响区为未转变α相和针状α'马氏体的双相组织.随距焊缝中心位置增加,马氏体生成量逐渐减少,焊缝显微硬度值呈现降低趋势;同时相比于TIG焊接,TC4激光焊接接头具有更高的显微硬度.

TC4合金大直径筒形件锻造工艺的改进

分析第1种工艺和第2种工艺锻制TC4合金大直径筒形件的利弊,对第1种工艺进行了改进,并采用改进后的工艺方案试制了TC4合金大直径筒形件。观察了改进后产品宏观形貌、显微组织,测试了改进后产品的力学性能,进行超声波探伤。结果表明:采用改进后的第1种工艺方案锻制的TC4合金大直径筒形件端面不开裂,内外表面裂纹少;铸造组织得到完全破碎,热处理后为细小的α+β等轴晶;力学性能较改进前显著提高,抗拉强度和屈服强度分别提高25 MPa和19 MPa,延伸率和断面收缩率分别提高5.5%和15.6%;超声波检验达到GB 5193的A级;仅原料成本一项就节省26%。

TC4钛合金筒形件的热旋成形工艺研究

轻质、高强、耐热、耐蚀钛合金零部件在航空航天、兵器等发动机领域中具有重要的应用前景。针对一端带内法兰的TC4钛合金筒形件开展了加热旋压成形工艺研究,分析了加热温度、旋轮形状、旋压道次、旋轮进给比、壁厚减薄率等工艺参数对TC4钛合金旋压成形的影响规律,研究了旋压过程中材料出现的破裂、起皱、扭曲、扩径等现象并提出了解决措施,辅以后续精密整形和热处理工艺,制造了几何尺寸和机械性能均满足要求的TC4钛合金筒形件,为类似钛合金筒形件旋压成形提供了参考。

基于BP神经网络的TC4钛合金超塑性变形后组织及性能预测研究

分别用VisualFortran语言和MATLAB软件建立了TC4钛合金超塑性变形时变形参数与其力学性能和晶粒尺寸之间的BP神经网络模型,通过用较少的力学性能和晶粒尺寸的试验数据进行训练,进而对其性能进行预测。结果表明,BP神经网络用于材料超塑性变形后的力学性能及晶粒尺寸预测是可行的,其预测误差小于7%。

钛合金TC4高速铣削表面完整性的研究

研究了钛合金TC4材料在高速铣削与常规铣削参数条件下的加工表面完整性 ,表明高速铣削在提高制造效率和改善表面质量上都是非常有益的 。

光纤激光氮化处理对TC4合金组织和性能的影响

采用高功率光纤激光器在氮气气氛中对TC4钛合金表面进行氮化,制备出渗氮层,并研究了光纤激光功率对TC4钛合金氮化层表面形貌、组织结构以及显微硬度的影响.结果表明:氮化层表面呈现粗糙和光滑两种形貌,氮化层组织为枝晶状组织,热影响区组织为针状组织,当扫描速度为10 mm/s、氮气流量10 L/min、喷嘴距离为3 mm、离焦量为0 mm时,渗氮层的熔深、熔宽均随着激光功率增大而呈现出增大趋势.此外,在距离氮化层表面相同深度的显微硬度随着激光功率增大也呈现出增大趋势.