顆粒增強鋁基復合材料具有比強度和比剛度高、耐磨性好、導熱系數(shù)大等特點,但是塑性較差,且變形過程中顯微組織的變化不易控制,加熱時間過長會導致晶粒粗大,容易出現(xiàn)微裂紋和界面脫粘等成形缺陷,因此對于熱加工工藝要求較高。等溫成形技術通過將模具加熱到與坯料相同的溫度,使坯料溫度始終保持在最佳的成形溫度范圍,與常規(guī)模鍛相比,坯料變形更加均勻,鍛件性能更加優(yōu)良。由于等溫成形設備通常采用電阻式加熱爐加熱,其加熱效率較低,造成生產(chǎn)效率低,限制了該技術的應用。本文為了研究中頻感應加熱用于等溫成形時的加熱工藝,首先以45鋼和TiB_2/7075鋁基復合材料為例,進行了感應加熱實驗,得到了不同功率下兩種材料的溫度變化規(guī)律。利用Marc軟件對感應加熱過程中試樣的溫度變化規(guī)律進行模擬,對影響試樣溫度的兩個因素(電流頻率和電流密度)進行了研究。之后對兩種材料的試樣進行了局部等溫的感應加熱工藝研究,通過調(diào)整加熱功率和加熱時間,使試樣快速升溫并保溫一段時間,從而達到等溫的效果。在此基礎上,對45鋼和TiB_2/7075鋁基復合材料試樣進行了局部等溫壓縮實驗,并在Marc中對45鋼的感應加熱和局部等溫成形進行了模擬,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較吻合。利用有限元軟件Deform-3D對TiB_2/7075鋁基復合材料葉片的等溫鍛造工藝進行了模擬,通過優(yōu)化毛坯形狀避免了折疊缺陷。針對影響該合金葉片等溫鍛成形性能的三個主要因素(成形溫度、鍛造速度和摩擦系數(shù)),對葉片的鍛造過程進行了模擬,通過分析成形過程中葉片等效應力、應變的分布規(guī)律和上模載荷的變化,發(fā)現(xiàn)鍛造溫度增大時,葉片等效應變分布規(guī)律基本不變,最大等效應力和模具載荷減小;鍛造速度減小時,葉片變形更加均勻,最大等效應力與模具載荷增大;摩擦系數(shù)增大時,葉片等效應變分布規(guī)律基本不變,等效應力在葉片不同的區(qū)域呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律,模具載荷增大。因此,通過增大鍛造溫度、減小鍛造速度和減小摩擦系數(shù),可以有效降低該合金葉片的變形抗力。從提高等溫成形的加熱速度方面出發(fā),提出了一種新型的基于中頻感應加熱的等溫成形模具,其特點是加熱效率高,模具升溫速度快,間接提高了生產(chǎn)效率。同時,模具使用標準的模架和可更換的成形模塊,成本較低,通用性強。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB331
【部分圖文】：

第二章 感應加熱原理與有限元模型的基本原理與特點定律與焦耳熱效應丹麥物理學家奧斯特（H.Oersted ）發(fā)現(xiàn)帶電導體的周理學家法拉第（M.farady）發(fā)現(xiàn)導體做切割磁力線流，這就是著名的電磁感應定律。奧斯特和法拉第的相互轉(zhuǎn)換關系。1840 年，英國物理學家焦耳（J.J部分轉(zhuǎn)化為熱能，這即是焦耳—楞次定律。電磁感構成了感應加熱的理論基礎。過程中，流經(jīng)感應線圈的交變電流在線圈周圍產(chǎn)生切割磁力線而產(chǎn)生感應電流，并轉(zhuǎn)化為熱能，從而直交變磁場

上海交通大學碩士學位論文表 2-2 空氣與線圈的材料參數(shù)Tab.2-2 Material properties for air and coil質(zhì)量密度 Kg/m3導熱系數(shù) W/m ℃ 比熱容 J/Kg ℃ 介電常數(shù) F/m 磁導率 H/m1.3 0.024 1000 8.854×10-121.25×10-6在模型的遠場空氣的外邊界施加電磁邊界條件為：磁勢和電勢為 0。在試樣的外邊界施加熱輻射邊界條件，輻射率為 0.4。線圈中施加電流密度載荷為 5.3×106A/m2，頻率為 31300Hz。2.4.3 模擬結(jié)果圖 2-3 是模擬得到的模型溫度場變化圖。可以看到，由于感應加熱具有集膚效應，試樣靠近線圈的外表面最先開始升溫，并且端部溫度最高，符合感應加熱的端部效應[50]。隨著時間延長，溫度不斷向試樣右端和心部傳導，最終形成徑向均溫，軸向溫度線性變化的溫度場，與理論分析結(jié)果比較吻合，證明該模型具有一定的合理性。

應加熱過程中試樣材料的熱物性（如導熱系數(shù)、磁導率等）會對加尤其是鐵磁性材料，在感應加熱過程中磁導率隨著溫度變化較大，較非鐵磁性材料更為復雜。為了了解不同材料感應加熱時的溫升規(guī)兩種磁性不同的材料，即鐵磁性材料 45 鋼和非鐵磁性材料 TiB2/707料，進行感應加熱實驗，以研究兩者在同一加熱條件下溫升曲線的時，借助非線性有限元軟件 Marc，研究感應加熱過程中電流頻率和熱過程的影響規(guī)律，為后續(xù)研究等溫感應加熱工藝奠定基礎。感應加熱實驗方案驗設備為中頻感應加熱電源，通過電纜與感應線圈相連。感應線圈徑為 34mm，外徑為 47mm，高度為 14.5mm。試樣材料為 45 鋼和 Ti合材料，尺寸均為Φ20×50mm。驗前利用DHJ熱電偶焊接機將兩只K型熱電偶分別焊接在試樣的表，以測量試樣表面和中心的溫度，溫度數(shù)據(jù)由 Daqbook 2000 系列數(shù)。實驗裝置和試樣測溫點如圖 3-1 所示。中心

【參考文獻】

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本文編號：2818211