钛铝合金开坯过程的数值模拟研究

钛铝合金开坯过程的数值模拟研究 钢铁研究总院 博士学位论文钛铝合金开坯过程的数值模拟研究 姓名:司家勇 申请学位级别:博士 专业:材料学 指导教师:张继 20090501 钢铁研究总院博七学何论文 摘要 ,,,,,,金属问化合物由于比强度高、良好的抗蠕变及抗氧化能力等特点，成为航空、航天、能源及汽车工业极具竞争力的新型高温结构材料。变形,,,,合金可以通过热机械处理优化组织，具有较大的性能改善空间。近年来，变形,,,,合金的成分及组织一性能关系研究己取得了较大进展，不坯成形方法也有广泛研究。但由于,,,，合金铸态粗大的层片组织及其本身具有的变形各向异性和,,,,合金开坯热加工技术的研究尚不完善，开坯后材料中的组织均匀性尚不理想，制约了其实用化的发展。因而，本博士论文选题为“钛铝合金不坯过程的数值模拟研究”，通过大量的高温热压缩实验，建立了,,(,,(,,,(,(,,,，(,,,,,(,,,(,,(,)合金开坯过程的流变应力本构模型和变形组织预报模型，并将其嵌入商业化有限元模拟软件，预测了,,,,合金锭坯在不同工艺参数条件下的开坯效果，为实际不坯工艺的制定提供参考。 本博:,论文在,,,,,,,(,,,,热模拟试验机上进行了,,(,,(,,，(,。,,(,。,,,(,(,,,合会变形温度,,,,?(,,,,?、应变速率,(,,, ,,，(,(,,一范围内的高温热压缩实验，对获得的高温流变行为数据进行回归处理，建立的高温流变应力本构方程为盯,,,(,,(,,叠,，,,(,,×,,,,,丁一,,(,,)，得出的变形激活能为,,,,,,,,,。考虑实际工况构建了,,,,合金锭坯降温过程的温度场模型，并进行了实验验证。对比有限元预测结果和实验测量结果，在,,,，合金不坯实际操作时,,,(,，于,,,秒)范围内预测值与实测值误差不大于,,?，则所建立的温度场模型可用于,,,,合金有限元变形(传热的耦合模拟。 本博士论文根据热压缩试样组织的定量金相统计结果，建立了,,,,合金三维再结晶图。明，该合金热压缩试样中的动念再结晶体积分数和动态再结晶晶粒尺寸在实验温度范围内受温度的影响较小，主要取决于应变速率和变形量。透射电镜观察发现，较低变形量的,,,,合金热压缩试样组织中分布有光学显微镜下难以观察到的小尺寸初始动态再结晶晶粒，但其最大体积分数不超过,,，对定量金相实验统计结果的准确性不会构成显著影响。因而，根据定量金相统计的结果建立了,,,，合金热变形过程中的动态再结晶百分数模型和动态再结晶品粒尺寸模型。 已有实验发现采用两步锻造工艺累积,,,变形量，可得到,,,,合金变形组织均匀和完整性较好的锻坯。为检验有限元数值模拟预测结果的可信度，同时分析累积变 钢铁研究总院博:仁学位论文形量达,,,两步锻造不坯实验结果的必然性和偶然性，本博士论文将所建立的流变应力本构模型和变形组织预报模型嵌入商业化有限元模拟软件，对,,,,合金两步锻造不坯效果进行了预测和实验验证。对比发现，有限元模拟预测的动态再结品体积分数与实测统计结果的误差最大为,(,,,;动态再结晶晶粒尺寸与实测值的误差不大于,(,,,(,,，可见，所建立的组织预报模型基本可用。根据误差分析，对,,,，合会变形组织预报模型进行系数修证，应用修,下后的组彭:预报模型预测的动念再结晶体积分数与实测统计结果的误差减小到不超过,(,,,:动态再结晶晶粒尺寸与实测值的误差也减小至不大于,(,,,,，即系数修正进一步提高了有限元数值模拟预测结果的准确度。有限兀模拟表明，累积达,,,变形量的两步锻造坯料中应变场、温度场、应变速度场 的均匀程度已很高，坯料中,,,以上区域的动态再结品体积分数已超过,,,，因而，两步锻造累积变彤量达,,,即可以达到理想的，，:坯效果有其必然性。 本博士论文应川所建立的流变应力小构模型和商业化有限兀,:焚拟软件，分析了挤压模具半锥角和挤墟,:,;，,,,,，合金热挤压等效应变的影,，甸，还进行了等通道弯角挤压模具内外圆角优化设计。有限元模拟表明，一定挤压比条件下，挤,棒材中等效应变的数值随模具半锥角增加而升高;等效应变的均匀性也随管半锥角的增加而增大，但半锥角达,,,后等效应变的均匀性随着半锥角的增人而略有降低。固定模具半锥角为,,,条件下，获得等效应变分布均匀的,,,,合会挤出棒材要求挤址比人于,，且挤压比愈大，应变的均匀程度愈高。应用有限元模拟优化设计的,,,半锥角模具成功的进行了,,,,合金两步挤压不坯，获得的累积挤压比达,,的挤压棒材宏观流线均匀，微观组织细小均匀、动态再结晶完全。经有限元模拟优化得出，,,,,合会经内角为,,,、外角为,,,的等通道弯角挤压模具变形后具有较好的等效应变均匀性。 本博士论文利用热压缩组织定量金相统计数据，以,,,,,, ,(,软件构造了,,,，合金热变形组织预报的,,人工神经网络(,,;,(,,,,,,,,,,, ,,,,,,;,,, ,,,,,, ,,,,,,,)模型，初步预测的动态再结晶体积分数与实测统计结果的平均误差低于,(,,,，动态再结晶晶粒尺寸与实测值的平均误差则不高于,(,,,,,,，与经验回归模型相比，已能更准确地预测,,,，合金高温变形过程中的组织变化，为实现,,,，合盒热变形组织准确的预报开辟了新的途径。关键词:变形,,,,合金;开坯工艺;有限元数值模拟:组织预报 钢铁研究总院博七学位论文 ,,,,,,;, ,,,,,， ,,,,,, ,,,, ,,,,,;,,, , ,,,,, ,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,, ,, ,,,,, ,,,, ,,,;,,,; ,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,;, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(，, ,,, ,,,, ,,;,,,,，,,, ,,,,,,, ,, ;,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,;,,,,,, ,,, 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,, ,,,, ,, ,,,;,,, ,,,,,;, ,,, ,,,,,,,, ,,;,,,,,,;,,,, ,,,,,, ,,, ;,,,,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,(,,, ,,,,,:,,,,,,, ,,,， ,,,,,,;;,,,,,, ,,,,;,,,,,,;,, ,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,, ,,,,, ,,, ,,, ,,;,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,, 钢铁研究总院博士学位论文 第,章绪论,(, ,,,金属间化合物合金 的发展,(,(,概述 高温结构材料用于制作高温下工作并承受一定载荷的结构件，是航空、航天发动机和各种燃气轮机技术进步的关键之一【,】。目前，广泛采用的高温结构材料是以,,、,,(,,、,,等为基的高温合金【,,。 航空、航天、车辆、舰船发动机性能的提高，对高温结构材料提出了更高的要求:“更强、更刚、更耐热和更轻”，即发展比强度高、比模量高和耐更高使用温度的新型高温结构材料【,】。为了适应现代高推重比航空发动机的工作条件，目前高温结构材料的研究开发主要有两个方向:一是进一步提高其高温力学性能和环境抗力;二是开发轻质高温结构材料〔,,。高温合金一般通过复杂合金化进行强化，它们的密度很高，难以满足进一步提高高温强度和结构减重的目的【,，,,。因此，发展新型轻比重高温结构材料，是材料科学研究所面临的迫切任务。 金属问化合物是由两种或两种以上金属元素或金属元素与类金属元素按照一定的原子比组成的化合物，由于其原子排列的长程有序以及原子间金属键与共价键的共存，使其有可能兼顾会属的较好塑性和陶瓷的高温强度，从而成为新一代高性能的高温结构材料【,，,,。其中，金属铝化物和硅化物等还具有较低的密度和良好的抗氧化性,,〕。实验发现一些会属问化合物，如,,,,、,,,,,、,,,,,等，在一定温度范围内有屈服强度随温度升高而增加的所谓,现象„,,,，而且其屈服强度随温度升高而增加的温度范围较宽，这一特性使金属，、日,化合物作为高温结构材料具有潜在的优势。早在,,年代，就有人提出开发金属问化合物基高温结构材料，以达到 捎诰 褰峁苟猿菩缘汀?Ы缃岷狭Σ畹仍提高材料使用温度和结构减重的目的?, 蛞 鸬氖椅麓嘈晕侍饽岩越饩觯 鹗粑驶 衔锊牧衔茨苁涤没 荆欤桑臁,福澳甏 酰 饩鼋鹗艏浠 衔锸椅麓嘈晕侍獾难芯咳〉昧送黄疲 ü 辖鸹 妥橹 刂葡灾 馗纳屏艘恍?鹗艏浠 衔锏氖椅麓嘈裕 谌 蚍段 谙破鹆私鹗粑驶 衔锊牧涎芯靠 ?娜瘸薄 ?,,。 近,,年来，作为高温结构材料应用的金属间化合物在国内外得到了广泛研究，并已取得重大进展。这些材料主要包括:,,(,,、,,(,,、,,(,,三个体系的,,,和,,型金属间化合物，其中,,,,、,,,,，、,,,,,、,,,,等金属，、日,化合物具有优异的热强性 钢铁研究总院博十学位论文和环境抗力，有希望在高温结构材料领域得到广泛应用【,,】。目前，,,,，、,,,,,和,,,,,基合金制成的航空发动机低压涡轮叶片、矢量喷口调节片以及航天器氧涡轮壳体等部件均在进行应用研究，用,,,,基合金制作的车用发动机增压涡轮转子己于,,,,年开始了商业化应用【, ,,。,(,(,金属间化合物的室温脆性和解决途径 室温脆性足限制金属间化合物应用和发展的主要因素。引起室温脆性的主要因素包括原子有序排列的晶体结构，原子间键合力对称性低导致可动滑移系数量减少，以及一些金属间化合物多品材料易出现的各种环境脆性〔,,】。目前，提高金属间化合物室温塑性的途径大体可分为三类【,,】:置换同溶原子半径不同的元素增加晶体结构的对称性;强化品界抑制环境脆性;形成多相合金，利用具有较好塑性的第二相、界面效应和组织细化使位错滑移距离减小等。下面分别予以说明: (,)合余化调整其品体结构，增加有序结构的对称性 二冗,,,,,化合物是，,【,方,,,,结构，主要形变方式是,,,,)(,,,)滑移，,(,,,)超位错在,,,,,滑移而内按超点阵内禀层错方式分解，成为两个,,,(,,,)类型的超偏位错〔, ,,。低的结构对称性使得,,,,,中的各,,,,)(,,,)滑移系不等同，难以 同时开动，因而室温塑性和强度较低。添加,,、,,或,,(,,,,(,)等合金元素，可取代,,,,,中,,的位置，使晶体结构由,,,,转变为,,,立方结构，显著增加了晶体结构的对称性，使得,,,,,合金的硬度明显下降，并表现出一定的压缩塑性。 (,)合金化强化晶界，抑制环境脆性 单晶,,,,,(,,(,,,(,,，)具有较好的室温拉伸塑性，并多以穿晶形式断裂，即单晶,,,,,本征上具有一定的塑性【婚】。但是，多晶,,:,,室温拉伸塑性几近为零，多发生晶,,,断裂。研究发现【, ,,，大量间隙杂质在多晶,,，,,晶界偏聚是导致晶界进一步弱化、室温脆性增加的主要原因。向偏离化学计量比的富,,多晶,,,,,中添加微量,，可有效改善,,,,，的晶界状态，提高晶界结合能，稳定晶界周围的微结构，抑制由水汽诱发的环境氢脆，使多晶,,,,,的室温塑性显著提高四。研究还发现【,,,，微量,,可以显著提高多晶,,,,,的室温塑性。其可能的韧化机制包括:少量,,在晶界偏析，通过改善晶界电子云状态使晶界的结合力增强，以及由于,,使,,,,,晶格常数增加， 钢铁研究总院博士学位论文 (,)引入第二降低扩散激活能，使晶界强化等。 , 相的塑化、韧化途径 啦(,,,,，金属问化合物具有有序六方结构(,,,,)，室温只有一个可动滑移系，塑性非常低。添加,相稳定元素,,等，可以在,,,,,台余中引入体心立方结构的,相(利用其较好的变形能力，协调合金的塑性变形，从而改进了丁，，,,的室温塑性,例如,,,,:,,，,，一,,,,,,合金锻造组织是粗短条状,,相，加热至,,,,。,后缓冷到室温得到的组织由粗大等轴,,(,相晶粒和晶删,相晶粒组成，这种(？,邮)双相组织的室温拉伸塑性可达,,,,。 ,,,,二兀台金中，,，含量显著影响合金的组织和机械性能„,”。睁相,心,(,,,,,,,,)室温塑性很低，降低,,含量至,,,,,时(合余呈现(,，;,,)双相组织，具有虽好的拉伸塑性。双相,,,，台令可能的韧化机制包括:(,)两相合金有利于细化组织，减少,相中位错滑移距离;(,),,,,结构的,,相可能起到吸收杂质，净化,相的作用:(,)，,,;,,界面是位锚的源或阱，(,)富,,韵,棚品体结构对称较好，品胞体积较小等。,(,(, ,,,，合金及其应用前景 „ ，,;一篇翟 。 ,餐:带絮箸掣 ，嚣墨渺、,„ ?? ?嘲,, ,?,? ”,,,,目 图,(,航空用结构材料比强度与温度关系对比 ,,,金属间化台物具有低密度、较高弹性模量以及良好的?呶虑慷取?谷浔浜涂寡趸 芰Α,迹保撸备 隽烁髦趾娇沼媒峁共牧系谋惹慷人嫖露鹊谋浠 ,员确?郑 冢梗埃埃埃梅段 冢 裕椋粒旎 ê械谋惹慷茸罡摺,恚桑 倍员攘祟押辖稹?裕椋 粒旎 辖稹?裕椋粒苫 辖鸷停危榛 呶潞辖鸬奈锢砗土ρ 阅堋局蕖,又锌梢钥矗恚 裕椋粒旌辖鸨阮押匣嵯 飨杂旁降母呶滦阅埽 褂梦露瓤商岣咧粒罚担啊 梗埃啊,茫 耄危旎 呶潞匣嵯嘟 旱 ?钢铁研究总院博士学位论文密度仅为,,基高温合金的一半，因而有希望部分替代高温合金，应用于航空、航天发动机的高温部件。 表,,,钛合金、,,,，合金和,,基高温合金的性能对比 性能 钛合金 ,,,,,基合金,,,,基合金 ,,基高温合金 密度(,,;,?),(, ,(,,,(, ,(,,,(, ,(, 弹性模量(,,,) ,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,, 屈服强度(,,,) ,,,”,,”,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, 一 抗拉强度(,,,),,,,,,,,, ,,,”,,,, ,,, ,,,,,,, 一 蠕 变极限(,,) ,,, ,,, ,,,,,,, ,,,, 氧化极限(,,) ,,, ,,, ,,,。,,,,, ,,,,,,,,,, 室温塑性(,) ,,,,, ,,, ,,, ,,, 断裂韧性(,,,(,,,) ,,,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,,,注:,表不无涂层，,为加涂层。 ,,,,合金的,要应用优辫在于: (,),,,，合金比航空发动机其它常用结构材料的比刚性高约,,,，高刚性对要求低间隙的部件如箱体、构件以及支撑件等有利，同时，可以将噪声震动移至较高频率而提高叶片等部件的寿命。 (,)在,,,”,,?,,,,,具有高于普通高温合金的比强度，设计上可以实现结构减重或减小对相关支撑件的负倚。 (,),,,,合金具有良好的阻燃能力，可替换一些昂贵的阻燃设计钛合金。 ,,,,合金的缺点是较低的抗损伤能力，其较低的室温塑性、断裂韧性和高裂纹扩展速率增加了失效的危险性【,,】。目前，,,,,合金室温脆性研究已经获得很大进展，使其初步具备实用化的基本条件„,,,。 目前，,,,,合金被认为是新型高推比航空发动机与航天推进系统的静止件和转动件极具潜力的候选材料，也是制造其它部件，如汽车发动机用增压涡轮和排气阀等的理想材料【,,,。由于,,,，合金的热加工性能尚不理想，现进行应用研究的,,,,合金部件大多为精密铸造成形。但热机械处理可以使,,,，合会具有更好的室温塑性及综合力学性能，变形,,,,合金应用的可靠性更高【,,,。因而，设计和应用部门一直寄希望于,,,,合金可以通过热加工制作航空、航天发动机较关键部件，为先进发动机的结构减重发挥更大的作用，变形,,,，合金的研究愈来愈受到重视。 , 钢铁研究总院博七学位论文,(,(, ,,,～合金体系 (,)单相合金与双相合金 化学成分特别是,,含量，对,,,，合金的力学性能有着十分重要的影响【,,,。从,,(,,二元相图(见图,(,)上看【,,,，根据,,含量的不同，,,,,合金可以分为两类:单相丫合金和双相(,，?,)合金【,,】。 图,?, ,,,,,二兀相图的中同部分(虚线部分为伪二元相图) 单相合金的,,含量一般大于,,,,(,，由单一的丫(,,,，金属间化合物组成。,，,,,,,蓦是,,(,,系的,,型会属问化合物，是典型的,,,,,,,,,,,型【,,】，在熔点( ,,,,,,)以下温度一直稳定。,,,,,,具有有序面心四方,,,(,,,,)型有序超点阵结构【,,,，为正方点阵，空间群为,,,,,,，如图,(,所示。点阵单胞含,个原子，,,和,,各有,个原子，,,原子与,,原子沿〔,,,〕方向交替排列在(,,,)面上。单胞参数随成分变化，,,,,(,,,,，,,,,(,,,,,,，;,,,(,,,,”,?,(,,,,,,，;,,轴比,,(,,,,(,,。尽管单相合会比双相合金具有更好的环境抗力，但目前尚无解决其室温脆性问题的有效途径，仍不具有实用价值【,,,。 双相合金的,,含量一般在,,一,,,,,,(,之间，由,(,,,，和啦(,,,,，金属间化合物组成。仅,(,,,,,是,,(,,系的,,,型金属间化合物，属于,,,,,,,型【,,】，呈有序六方,,,,超点阵结构，空间群为,,,,,,;，如图,(,所示。点阵单胞在(,,,,)面上原子为密排结构，保证了,,原子与,,原子键合，并以,,原子作为最近邻原子。该单胞可以表征为由四个亚初级胞穿插而成，其中的,个为,,原子占有，,个为,,原子 气 钢铁研究总院博士学位论文占有。单胞参数随成分变化，,,,,(,,,,,,一,(,,,,,,，;,,(,,, ,,,(,,,,,,。仅,(,,,,,是一种有序固溶体，高于临界温度将转变为无序固溶体,相(六方,;,结构)，其从有序到无序的转变为:,【,,,,,,,,,〔，。双相合金中的丫(,,,,和仪,(,,,,，的结晶学关系为: (,,,,)。:,,,, , ,)，(,, ,,)。:,,(,, ,)， ,，,,, 图,,, ,,,,,，的晶体结构 图,,, ,【,,,,,,,的晶体结构 研究发现,,,,，双相合金中的丫相含,,量比单相合会的含,,量低，有利于,,,,,,,】全位错滑移和,,,,,,,〕型,,,;,,,,不全位错的孪生变形开动。还有人认为双相合金中的氧是稳定,【,相元素，优先进入仪,相，因,,相可溶解大量的氧(溶解度高达,,,,,,)，从而降低了丫相中的氧含量(氧在丫相中的溶解度大约为,,,,,)，改变了位错的核心结构或层错能，有利于,,,,,,,〕全位错开动。目前，已经充分证明,,,,，通过组织调整及合金化的双相合会比单相合金具有更好的室温塑性和断裂韧性。因而，现广泛不展应用研究的是双相,,,，合余，,,(,,,,(,,，合金或在此基础上加入其它元素的合金是目前研究最多的合金体系。 (,)合金元素的作用 合金化是改变,,,,合金有效成分和组织最常用、最有效的方法之一。表,(,列出各种合会元素在,,,,合金中的作用【,,】。 , 钢铁研究总院博士学位论文 表,(,合金元素在,,,～合金中的作用 合金元素 己报道的作,,,, ,, 因改变合金的组织而强烈影响合金的塑性，塑性较佳的,,含量是,,,。,,, (原子)，在该范嗣内，增加含,,量降低韧性。 ,‰,,(原子)的添加量将提高双态合金的塑性: ,,,(原子)可改善热加,二能力及超塑性; ? ,,一,,(原子)可提高双态合金的塑性; , ,,,,,(原子)可提高双态合金的塑性;降低抗氧化性; ? 改善合金的抗氧化性，提高合金的高.