鈦合金零件熱等靜壓整體凈近成形的數(shù)值模擬及實驗研究.pdf

1、熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing,HIP）工藝能成形復雜高性能零部件，特別適用于航空航天高性能鈦合金零部件的成形。但粉末態(tài)材料在熱等靜壓復雜的高溫高壓熱力耦合的作用下，形變、密度度、應力場等關鍵因素難預測，從而導致熱等靜壓技術工程化應用發(fā)展緩慢。數(shù)值模擬分析能夠有效分析HIP過程粉末體的形變、相對密度、應力場等變化規(guī)律。利用有限元分析指導實際生產(chǎn)中HIP的工藝選擇、包套制造，能節(jié)約HIP成形復雜零件的成本并保證零件

2、的成形質(zhì)量。本文以Ti6Al4V合金材料為研究對象，基于MSC.MARC平臺建立了粉末HIP有限元模型。系統(tǒng)模擬了鈦合金方塊件HIP過程的相對密度、幾何應變、柯西應力場以及溫度場變化規(guī)律。之后進行了HIP實驗驗證了數(shù)值模擬的準確性。最后本文模擬分析了三種HIP典型工藝下可變形型芯的變形情況，提出了利用可變形控形型芯成形葉盤復雜件的HIP模具優(yōu)化方案。全文主要結論如下：
　?。?）在HIP成形過程初期，粉末整體致密度較低。之后隨著外

3、界壓力突破包套屈服極限，粉末體流動速度迅速增長，整體致密度飛速提升。隨著粉末體致密化程度越來越高其流動速度慢慢下降。直到在HIP后期降溫降壓階段，粉末體由于受不均勻熱應力作用整體發(fā)生復雜不規(guī)則流動，其整體致密化程度也進一步提升。
　?。?）HIP初期和中期粉末體整體應力場不大，而在HIP降溫降壓開始時粉末體因不均勻熱應力作用產(chǎn)生很大的殘余應力直到HIP工藝結束。粉末體應力場變化和溫度場密切相關。溫度梯度變化越大，應力變化就越大。粉

4、末體殘余應力分布沿著中心到邊角區(qū)域呈先增大后減小的規(guī)律。
　?。?）HIP零件輪廓和模擬輪廓的誤差在6.3％以內(nèi)，平均輪廓誤差為2.883%。相對密度測量結果和模擬結果誤差控制在4.8%以內(nèi)，內(nèi)部區(qū)域的模擬結果比較準確和測量值誤差在2%以內(nèi)。這說明了數(shù)值模擬的可靠性。邊角部位由于粉末難變形特性相對密度不高難以達到全致密。X殘余應力衍射得到的零件應力場分布規(guī)律和數(shù)值模擬的應力場分布規(guī)律相一致，從邊角到中心區(qū)域殘余應力呈先增大后減小的

5、趨勢。數(shù)值模擬和實驗測量得到的殘余應力誤差在100MPa左右。
　?。?）HIP鈦合金零件的內(nèi)部組織由α和β相組織組成。其中α相以片狀形態(tài)均勻分布在零件內(nèi)部，β相組織呈板條狀分布在α相之間。整體組織晶粒細小，特別是在邊角區(qū)域，晶粒粒徑僅有10um左右。邊角區(qū)域還存在大量等軸α相組織。
　?。?）三種典型HIP工藝下可變形型芯位移變化最嚴重的階段在升溫升壓后期和降溫降壓階段初期，而在保溫保壓階段，模具型芯位移變化量不大。型芯節(jié)