本文關鍵詞：熱等靜壓整體近凈成形Ti6A14V葉盤有限元模擬與性能研究

  更多相關文章： 熱等靜壓 近凈成形 數(shù)值模擬 Ti6Al4V 拉伸性能 疲勞性能 兩步法

【摘要】：熱等靜壓工藝(hot isostatic pressing,HIP)是能滿足新一代航空發(fā)動零件性能要求的重要粉末冶金制造技術,適合用來成形航空鈦、鎳合金零件。其成形制件的密度、尺寸和性能是靠準確設計的包套和型芯以及工藝參數(shù)來確保的,數(shù)值模擬能夠預測粉末體的變形情況驗證包套和型芯結構設計,性能的表征能夠幫助確定合適的工藝參數(shù)。研究HIP數(shù)值模擬和性能表征能從控形和控性上保證零件的質量。本文以Ti6Al4V合金粉末作為成形材料,針對帶有葉冠的航空葉盤,設計了相應的包套和型芯方案進行了HIP試驗,成形出了質量優(yōu)良的葉盤零件。探討了熱等靜壓成形Ti6Al4V粉末葉盤的有限元模擬過程,包括:粉末和包套的屈服準則選取、本構方程選定、有限元列式和邊界條件確定等,同時,將模擬結果和試驗進行對比驗證了模擬方法的準確性。此外,在同時升溫升壓(工藝1)和先升溫后升壓(工藝2)下分別進行了熱等靜壓試驗,并觀測了制件的微觀組織、測試拉伸性能和分析了斷口形貌以及斷裂機理;測試疲勞極限和分析了疲勞斷口以及疲勞失效機理;測試了室溫沖擊韌性等。另外,針對帶有復雜扭曲結構的零件HIP成形難致密的問題,提出了熱等靜壓兩步成形法,并提出了數(shù)值模擬和試驗測試結合的方法確定工藝參數(shù)。將兩步法成形的制件和傳統(tǒng)HIP法進行對比,表征工藝性能。本文主要得到以下結論:(1)粉末材料適用于基于Von Mises屈服準則進行修正的多孔結構雙參數(shù)模型。使用Perzyna本構模型計算Ti6Al4V合金粉末HIP成形中的粘塑性形變行為,包套在X和Y上的變形的模擬結果均稍大于實驗結果,在徑向上的最大誤差為4%,軸向上的最大誤差為2.27%,誤差在令人滿意的范圍內,能夠較準確的預測零件的最終形狀。(2)兩種HIP工藝下合金均主要由灰(黑)色α相和白色β相兩相組成,β相沿α相邊界分布。工藝1下能觀測到較明顯的呈連續(xù)空間網(wǎng)狀結構的等軸晶區(qū),工藝2下則沒有。工藝1下Ti6Al4V合金的抗拉強度σb和屈服強度σ0.2分別為970MPa和876MPa;工藝2的分別為980MPa和880MPa。制件室溫拉伸性能相均高于同規(guī)模Ti6Al4V鑄件水平,與同規(guī)模Ti6Al4V鍛件相當,工藝2的性能比工藝1略有提高。(3)工藝1試樣的疲勞極限為350MPa,工藝2為450MPa,兩種工藝的疲勞極限壽命均與航空鍛件標準(539Mpa,f=130Hz,棒材)有一定差距,工藝2下制件疲勞性能較工藝1有較大提升。斷口分析表明:疲勞裂紋從顆粒邊界萌生。裂紋源區(qū)氧含量高于擴展區(qū),表明顆粒氧含量雜質影響冶金結合,氧含量較高的區(qū)域易形成缺陷萌生疲勞裂紋。優(yōu)化后的工藝2能夠促進冶金結合,提高疲勞性能。(4)對兩種工藝下成形制件進行室溫下的夏比沖擊韌性測試,測出工藝1制件沖擊韌性為44.2 J/cm2,工藝2則為55.1 J/cm2,,大大優(yōu)于工藝1的沖擊韌性。(5)熱等靜壓兩步成形法成形高溫合金零件可以在保證控形效果的基礎上,使零件難以致密處達到致密,保證零件性能均一性。熱等靜壓兩步成形法的首次工藝參數(shù)通過有限元模擬的方法確定;二次HIP工藝參數(shù)根據(jù)成形試件力學性能測試結果確定。兩步成形法制件組織顆粒邊界消失,斷口形貌未見近球狀凹坑,粉末冶金結合牢固。拉伸性能達到同規(guī)模鍛件水平,稍微優(yōu)于傳統(tǒng)HIP工藝。綜上,本文選擇了合適的粉末HIP屈服準則和Perzyna本構模型,模擬效果準確。同時通過表征拉伸、疲勞、沖擊性能,得出先升溫后升壓HIP工藝下制件性能總體優(yōu)于同時升溫升壓HIP的結論。此外還為兩步HIP法成形復雜難致密零件提供了參考。
【關鍵詞】：熱等靜壓 近凈成形 數(shù)值模擬 Ti6Al4V 拉伸性能 疲勞性能 兩步法
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V263.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-27
• 1.1 引言12-13
• 1.2 熱等靜壓近凈成形技術13-16
• 1.3 熱等靜壓技術國內外研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4 HIP數(shù)值模擬國內外現(xiàn)狀17-21
• 1.5 鈦合金及其在HIP領域的應用21-24
• 1.6 課題來源及主要研究內容24-27
• 2 Ti6A14V整體葉盤零件模擬及試驗27-48
• 2.1 引言27-28
• 2.2 擬成形的葉盤零件包套和型芯設計28-30
• 2.3 Ti6A14V合金HIP有限元模擬30-36
• 2.4 葉盤數(shù)值模擬過程36-42
• 2.5 葉盤成形試驗及結果對比42-46
• 2.6 本章小結46-48
• 3 熱等靜壓成形Ti6A14V制件性能與分析48-62
• 3.1 引言48
• 3.2 實驗方法48-51
• 3.3 微觀組織51
• 3.4 拉伸性能與斷51-52
• 3.5 疲勞性能與疲勞斷52-58
• 3.6 沖擊性能58-60
• 3.7 本章小結60-62
• 4 Ti6A14V合金整體零件的兩步法熱等靜壓近凈成形工藝探究62-69
• 4.1 引言62
• 4.2 兩步法成形工藝62-65
• 4.3 制件性能65-67
• 4.4. 本章小結67-69
• 5 結論與展望69-72
• 5.1 全文總結69-70
• 5.2 研究展望70-72
• 致謝72-73
• 參考文獻73-80
• 附錄 攻讀碩士學位期間發(fā)表論文與專利80

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本文編號：576087