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高温合金和钛合金真空热处理及热胀形过程数值模拟

王明伟  
【摘要】: 真空热处理技术具有无氧化、无脱碳、变形小、节能、自动化程度高等一系列优点,成为国际热处理技术发展的热点。真空热胀形是一种特殊的成形加工方法,它是利用工件和模具之间线膨胀系数差异,根据材料高温软化和应力松弛原理,通过模具在高温状态下热膨胀力使工件成形。同其它金属成形技术不同,真空热胀形过程中工件变形主要是发生在低应力状态下弹塑性变形,并且塑性变形量与加热温度和保温时间直接相关。由于真空热处理及热胀形过程的复杂性,传统的真空热处理及热胀形过程研究主要基于实验和经验,这将造成工艺研发周期的增长和生产成本的增加。随着计算机技术的发展和有限元方法的完善,有限元模拟技术为真空热处理及热胀形过程的研究提供有力的工具。模拟能够给出真空热处理及热胀形过程中各种场量信息,为合理确定真空热处理及热胀形工艺参数和保证工件产品质量提供科学依据。 本文以GH4169高温合金和BT20钛合金为研究对象,利用大型非线性有限元软件MSC.Marc对高温合金和钛合金真空热处理及热胀形过程进行模拟研究,对温度场、变形场和应力场进行分析,预测了真空加热滞后时间,探索了确定钛合金筒形件真空热胀形工艺参数的科学方法,为实际生产提供理论指导。本文的主要研究内容及结论如下: 1.建立了二维非线性真空热处理炉传热过程有限元模型,考虑了辐射传热和材料热物性参数随温度变化等非线性因素的影响。使用有限元软件MSC.Marc对真空热处理炉传热过程温度场进行计算和分析,实现了虚拟真空热处理炉温智能化PID控制。分别采用750℃和1150℃保温,对炉温均匀性进行模拟计算,并进行了相应的实验验证,模拟结果与实验结果吻合较好,为真空热处理过程的虚拟生产奠定了理论基础。 2.利用真空热处理炉传热有限元模型对GH4169合金大型复杂件和不同尺寸的BT20钛合金试样真空加热过程温度场进行数值模拟,预测了GH4169合金零件和BT20合金试样在真空加热过程中加热滞后时间,实测了GH4169合金大型复杂件和BT20合金试样真空加热过程温度随时间变化,模拟结果与实验结果吻合较好。分析了加热滞后时间对BT20钛合金退火组织的影响。模拟结果表明:有效厚度≤20mm的BT20钛合金零件在真空加热时滞后时间系数可取0.8~1min/mm。为了保证零件质量及可靠性,必须合理地确定加热滞后时间。 3.建立了BT20钛合金筒形件真空热胀形过程热力耦合有限元模型。利用有限元软件MSC.Marc对钛合金直筒件真空热胀形过程的温度场、变形场和应力场进行模拟计算,对加热温度、模具厚度、工件与模具间隙大小等因素对真空热胀形影响进行分析。提出了可用于企业真实生产的不同型号BT20钛合金直筒件真空热胀形过程的模具设计尺寸和真空热胀形工艺参数方案。 4.对BT20钛合金真空热胀形过程热力耦合模型进行了优化建模研究,在保证计算精度的前提下,采用步长自适应技术和两步法模拟显著提高计算效率。对不同型号BT20钛合金锥筒件真空热胀形过程进行数值模拟,并进行相应的实验验证,模拟结果与实验结果吻合较好。分析了加热温度和零件壁厚对真空热胀形的影响,模拟结果表明:BT20合金筒形件真空热胀形的最佳温度范围为750~850℃。壁厚≤3mm的钛合金筒形件可通过真空热胀形的方法进行弯曲变形,而大于3mm的钛合金筒形件不能通过真空热胀形的方法进行弯曲变形,只能校形。


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