钛合金等温锻造动态仿真.docx
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钛合金等温锻造动态仿真
1引言……………………………………………………………………………1
1.1课题的意义和背景…………………………………………………………1
1.1.1钛合金在现在工业中的应用……………………………………………1
1.1.2钛合金成形技术的发展…………………………………………………2
1.1.3等温锻造的特征、优点及适用范围……………………………………2
1.2钛合金的组织、性能与锻造…………………………………………………5
1.2.1钛合金的一般特性………………………………………………………5
1.2.2(α十β)钛合金的组织与性能…………………………………………5
1.2.3(α十β)钛合金的锻造与组织…………………………………………7
1.3数值模拟技术………………………………………………………………9
1.3.1数值模拟技术的发展历史………………………………………………9
1.3.2数值模拟技术的分类……………………………………………………10
1.3.3有限元法在塑性加工中的应用…………………………………………11
1.4课题主要研究内容及研究方法……………………………………………13
1.4.1课题主要研究内容………………………………………………………13
1.4.2课题主要研究方法………………………………………………………14
2钛合金等温锻造铅模具设计…………………………………………………14
2.1钛合金成形工艺分析…………………………………………………14
2.1.1钛合金加热过程中的常见问题…………………………………………14
2.1.2锻坯坯料准备……………………………………………………………15
2.1.3确定锻造温度、变形程度………………………………………………15
2.1.4钛合金锻造过程中常见的缺陷…………………………………………16
2.2锻件图设计…………………………………………………………………18
2.2.1锻件图设计简介…………………………………………………………18
2.2.2制定零件锻件图…………………………………………………………19
2.3锻坯设计……………………………………………………………………22
2.3.1锻坯设计简介……………………………………………………………22
2.3.2确定零件锻坯……………………………………………………………23
2.4锻模设计……………………………………………………………………23
2.4.1模具材料…………………………………………………………………23
2.4.2凸、凹模及固定…………………………………………………………24
3数值模拟基础…………………………………………………………………24
3.1塑性力学知识………………………………………………………………24
3.1.1有限元法基础……………………………………………………………24
3.1.2力学方程…………………………………………………………………27
3.1.3刚粘塑性有限元变分原理………………………………………………29
3.2塑性有限元矩阵方程组……………………………………………………32
3.2.1变形体离散化……………………………………………………………32
3.2.2变形体线性化……………………………………………………………36
4等温锻造数值模拟模型建立及模拟过程……………………………………37
4.1数值模拟过程中的关键问题………………………………………………37
4.1.1钛合金相关性能参数……………………………………………………37
4.1.2网格重划分与网格自适应技术…………………………………………39
4.1.3模拟过程条件确定………………………………………………………41
4.2工艺参数选取………………………………………………………………41
4.2.1变形温度…………………………………………………………………41
4.2.2凸模速度…………………………………………………………………42
4.2.3摩擦系数…………………………………………………………………43
4.2.4锻造过程中的温度场分析………………………………………………43
4.3毛坯锻造过程仿真…………………………………………………………44
4.3.1DEFORM有限元分析系统简介…………………………………………44
4.3.2锻件成形分析……………………………………………………………45
4.3.3仿真过程及分析…………………………………………………………46
4.3.4毛坯成形对比分析………………………………………………………50
5钛合金等温锻造铅坯试验……………………………………………………50
5.1铅试样模拟钛合金等温锻造的可行性分析………………………………50
5.1.1相似性理论………………………………………………………………50
5.1.2模拟可行性分析…………………………………………………………51
5.2铅试验方案…………………………………………………………………53
5.2.1试验目的…………………………………………………………………53
5.2.2试验设备…………………………………………………………………53
5.2.3工艺方案…………………………………………………………………53
6结论……………………………………………………………………………54
参考文献…………………………………………………………………………56
致谢………………………………………………………………………………58
1引言
1.1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25%~30%。
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0.8Kg;他们锻造成形的发动机叶轮,普通锻造工艺的锻件重24Kg,采用等温成形技术锻件仅重10Kg。
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,α合金、(α十β)两相合金通常都是在低于β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(α十β)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β锻造、近β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:
[11,12]
1)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0.058mm,而常规锻造的污损层为0.254mm;
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α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[15,16]
1.2.1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α固溶体、β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α、α+β和β合金,这些合金或带金属间化合物或不带这种化合物。
具有α+β组织的工业钛合金,其特点是在稳定状态下有不同比率的α相和β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α+β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(α十β)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(α十β)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α基体上存在一定数量的β转变组织。
等轴α是不可能从β直接转变获得,而只能从片状α变化而来。
从片状α变成等轴α需要两个基本条件,一是变形,二是加热。
片状α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(α十β)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α相优先发生再结晶,形成等轴α,待β相也发生再结晶后,也就获得了完全等轴的α十β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β转变组织的基体上分布着一定数量的等轴初生α相,等轴初生α相的含量不超过50%。
采用近β加工或混合加工,当变形温度主要集中在β相区,并延续到(α十β)两相区,α相发生再结晶形成等轴α,在冷却时又从相中析出片状α,这样就形成了混合组织,即等轴α加片状α十β转变组织。
另外,经过变形加工之后,再重新加热到(α十β)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α相镶边已不明显,晶内片状α相变短变粗,在原始β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(α十β)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β晶粒开始破碎并被拉长,魏氏片状α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β晶界清晰完整,晶界α相非常明显,晶内粗大的片状α相呈规则排列。
魏氏组织通常由β退火或β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。
(α十β)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α相及β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
104
103
100
98
屈服强度
97.7
93.1
83.4
90
延伸率
9.5
13.5
13
16.5
断面收缩率
19.5
35
40
45
冲击韧性
3.65
5.4
4.4
4.8
断裂韧性
329
-
-
190
疲劳极限
42.7
49.6
50.7
53.3
持续时间/h(400℃,60kgf·mm-2)
-
400
187
92
蠕变残余变形
/%(100℃,60kgf·mm-2,100h)
-
0.125
0.142
0.162
(α十β)钛合金组织中,α相的含量对组织稳定性的影响非常明显,随α相含量升高,蠕变后拉伸塑性轻微升高,这是由于α相含量升高,使转变β相基体的晶粒细化,同时β相中β稳定元素含量增加,导致转变β基体中β相含量升高,使裂纹扩展变难。
1.2.3(α十β)钛合金的锻造与组织
图1.1两相钛合金全β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,(α+β)钛合金的变形过程可分为全β锻造、(α+β)两相锻造和亚β锻造[18]。
1)全β锻造
若变形完全在β相区进行,则称为全β锻造。
见图1.1,合金在β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β相区塑性变形时,随着变形程度的增大,β晶粒被压扁,沿金属的流动方向被拉长。
然后β相开始动态再结晶和聚集再结晶,使β晶粒长大,甚至超过原始尺寸。
当合金在β转变温度以上结束变形后,在冷却过程中,温度降至β相变温度时,便发生β→α转变,沿原β晶粒的边界首先析出条状的α相,然后沿晶间依不同的位向析出呈交叉平行排列的片状α相,即形成所谓的魏氏组织。
2)两相锻造
图1.2两相钛合金(α十β)两相锻造时的组织形成过程示意图
钛合金通常在低于β转变温度(α十β)两相区内进行加热变形,称为(α十β)加工,即“常规锻造”。
图1.2为具有片状组织的合金在(α十β)两相区进行塑性变形时形成的不同类型组织。
与β相区塑性变形不同,在(α十β)两相区进行塑性变形时,β晶粒和片状α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α相的差别逐渐消失。
在经过大于60~70%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α相的再结晶比β相的再结晶来得快。
再结晶后的α晶粒是球状的初生等轴α晶粒。
许多研究表明,(α十β)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α相含量和片状α相之比应控制在(20~30%)/(80~70%)。
为了得到这种组织,锻造加热温度必须控制在低于β转变温度10~30℃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β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β锻造
在铸锭开坯时,常用在β相区开始锻造,在(α十β)两相区结束锻造的方法,称为近β锻或亚β锻,其锻后所形成的组织主要取决于在(α十β)两相区内的变形程度。
由图1.3可知,当变形程度大于(50~60%)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α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β相区温度下开始变形,然后随
图1.3两相钛合金亚β锻造时的组织形成过程示意图
着合金温度降至β转变温度,从β相中开始析出沿β晶粒边界分布的、富集α稳定元素的针状α相,而晶内针状α相只在温度继续下降时才析出。
β晶界上早已析出的针状α相在(α十β)相区的温度下受到了很大的塑性变形,因此比晶内针状α相锻得透,也更早发生再结晶从而成为球状的α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
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