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钛合金热等静压近净成形过程数值模拟及制件性能研究

蔺广科  
【摘要】:经热等静压工艺处理的制件具有均匀的组织和良好的力学性能,在航空航天等特殊领域应用广泛。结合模具和粉末冶金工艺,应用热等静压可实现复杂结构零件的近净成形。金属粉末受热等静压高温高压作用,短流程致密成一定形状的复杂零件。但该过程中,粉末发生较大收缩,还伴随不规则形变,应用数值模拟方法预测变形对于成形精度及性能控制至关重要。本文对热等静压近净成形过程模拟中大型稀疏方程组的存储及求解进行了理论分析论证,并重点探讨了钛合金粉末热等静压近净成形过程中粉末致密化行为及变形规律等基础内容。 采用钛合金粉末热等静压近净成形工艺制造薄壁筒形匣型件,设计了随形和内型芯两种模具方案。模拟与试验发现,随形模具时零件整体收缩,但由于内外壁压力差筒形零件整体向内偏移,尺寸误差达8%左右;内型芯模具时零件内壁无变形和移动,尺寸误差低于1%。热等静压近净成形的匣型件相对致密度达99.8%;微观组织显示,靠近外包套壁处为100μm左右尺度的等轴相,其余组织为条状+β相,条状宽度一般为2~8μm,长度20~30μm;同炉拉伸件抗拉强度达1000Mpa。对比结果显示,设计合理的控形模具可利用热等静压近净成形可得到性能优异的薄壁筒形匣型件。研究显示,采用内型芯方案获得的制件的尺寸精度高,满足近净成形的形状要求,是由于控形模具对热等静压过程粉末体的收缩方向控制得当较好的尺寸精度,且内部尺寸完全无误差。 研究了两种工艺(高温1100℃、110Mpa及910℃、110Mpa)下钛合金粉末热等静压近净成形制件的微观组织及宏观力学性能。在1100℃和110Mpa下保温三个小时,制件微观组织呈现较粗大的长条状+β组织,且+β相较均匀,各向异性,因此无明细的方向性,无孔洞和裂纹等缺陷,晶粒大小达到20μm左右,长度约为30μm左右;抗拉强度达920Mpa,宏观力学性能超过了铸件水平,接近锻件水平。经910℃和110Mpa保温3小时,获得的制件微观组织细小而均匀,由部分的等轴状的+β组织及细小的长条状的+β构成,条状相长度仅为15μm左右;抗拉强度达到1130Mpa,较前种工艺强度提高了22.8%,整体达到甚至超过了锻件水平。主要是由于热等静压过程在高温1100℃保温时,超过了两相转变温度,晶粒急剧长大,导致力学性能下降。 对拉伸断口进行分析,研究钛合金粉末热等静压制件在单向拉伸条件下的失效机理。断口形貌显示,钛合金热等静压制件呈现典型的塑性断裂,断口有明显缩颈,内部包括纤维区、发散区及剪切唇区。高倍显微发现了较大尺寸的韧窝,保证了了良好的韧性,延伸率为19.2%,断面收缩率为46.4%,热等静压得到制件的塑性韧性较好。由于粉末颗粒在热等静压过程中产生较大的局部变形,再结晶使得粉末颗粒边界形成等轴的相组织,同时粉末颗粒边界的氧化膜在高温下分解消失,粉末颗粒原始边界消除,使得粉末热等静压成形件具有良好的塑性及抗拉强度。


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