钛合金成型技术的一些进展外文翻译资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

第十一届国际可塑性技术大会，2014年国际商会

2014年10月19 - 24日，名古屋会议中心，名古屋，日本

钛合金成型技术的一些进展

西北工业大学材料科学与工程学院，西安市友谊西路127号，710072，中国

摘要

为满足高端设备不断增长的高性能和轻量化要求，钛合金元件的设计具有复杂的形状和特定的性能。先进的塑料成型技术的研究与开发对低成本，短周期的钛制品的制造具有重要意义。通过不平等变形控制，局部装载成形技术具有减少成形载荷，增大成型尺寸，提高成形极限和精度的优点，为制造高性能，重量轻的钛组件（大型，整体，复杂，薄型）提供了可行的途径侧墙）广泛应用于飞机，展示了良好的发展前景。本文介绍了作者实验室中局部装载成形技术的现状及其在钛零件制造中的应用，包括大型复合TA15舱壁的等温局部荷载形成和大直径薄板的热转弯弯曲钛钛管。

copy;2014由Elsevier Ltd.发布这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章copy;2014 The Euthors。由Elsevier Ltd.出版

（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。

由名古屋大学和丰桥理工大学负责选拔和同行评议。名古屋大学材料科学与工程系负责选拔和同侪审查。

关键词：性能和重量轻的钛组件，局部装载成型技术，多尺度过程建模，统一控制成形和微观组织演化，通过流程优化和技术应用

1. 介绍

钛合金是先进的轻质金属材料，具有高强度，低密度和优异的耐腐蚀性。 在航空，海洋，医药等领域得到广泛的应用。 70％的钛用于航空航天应用（Boyer和Williams，2011）。为了满足飞机高性能和轻量化的不断增长的需求，钛组件设计具有复杂的形状和特定的性能。塑料加工是最适用的成型方法，因为它可以在成型时调整微观结构。然而，钛合金具有相对低的延展性，低弹性模量，高屈服应力和强各向异性，这降低了塑性成形的成形极限和精度。同时，钛合金的微结构对加工敏感。难以控制微观结构演化以获得所需的服务性能。

钛合金零件的制造精度高，性能好，成本低，已经有很多工作要做。这些研究的一部分集中在钛合金的塑性变形行为和本构模型。（Khan and Yu，2012; Khan et al，2012），Nixon et al。（2010），Ghosh和Anahid（2013）量化了钛合金在不同负载条件下的塑性各向异性行为，并建立了不同的各向异性本构模型。汗等（Khan et al。，2007; Khan et al。，2004）使用修正的Khan-Huang-Liang（KHL）方程成功地模拟了从各种应变速率的钛合金在准静态到动态载荷状态下的响应。 Fan和Yang（2011）根据溶液强化，霍尔效应，位错相互作用和动态再结晶等方法开发了一种基于内部状态变量的自稳定本构模型，能够预测热加工过程中的流动应力和微观组织演化两相钛合金。另一个流行的研究领域是变形期间的微观结构和纹理演变。张等人（2012）研究了CP-Ti冷拉深时的显微组织和织构发育，发现变形孪晶通过随机取向晶体的取向，特别是对于再结晶织构而使初始织构变薄。林等人（2013）进行了一系列拉伸试验，研究了高温下近ĮWLWDQLXPDOOR的微观结构和织构演变。他们发现初始纹理被动态再结晶过程削弱或消除。高等（2012）在不同温度条件下获得了四种类型的微观结构（widmanstauml;tten，双模态，三角形和篮状组织），并分析了其在TA15合金等温局部荷载成形中的发展过程。这些基础研究为钛成分塑性成型过程中形状和微观结构的预测与控制奠定了基础。

对于钛合金的塑性成型技术，精度更高，更节能，效率更高，已成为新的发展趋势（Yang et al。，2008）。虽然传统的塑料成型技术，例如自由锻造，等温锻造和挤出等，仍然在钛合金的塑性成型中发挥重要作用，最近提出了一些创新的塑性成形技术，以满足新钛零部件性能和形状的不断增长的要求。例如，已经开发了包括等通道角挤压，静压挤压，累积辊粘合等的严格塑性变形（SPD）技术，以生产具有更好综合性能的超细晶钛合金（Yang等，2011a ）。此外，局部装载成形技术包括连续局部装载成形和间歇局部装载形成，例如。等温局部荷载成形，管弯曲，热环轧制和旋转，近年来引起了更多的关注。该技术具有降低成形载荷，扩大成型尺寸，增加成形极限和精度等优点，是制造高性能，重量轻的钛组件（大型，整体，复杂，薄壁）的可行方法，广泛应用于飞机，发展前景良好（Yang et al。，2011b）。

然而，局部加载成形是一个复杂的过程，具有多模，多参数和多场的耦合效应，这对于形状成形和微观组织演化的综合控制带来了挑战，以及通过过程优化和鲁棒控制成型工艺。为了解决挑战，西北工业大学精密成型实验室对不平等变形和通过过程优化的微观结构和宏观缺陷的多尺度过程建模，调控机制进行了系统，深入的研究在钛合金部件的局部加载成形中，取得一定进展。

2．钛合金局部加载成形的多尺度过程建模

目前，多尺度过程建模已经成为塑料成型工艺设计与优化的重要手段。 通过这种方法，我们可以对宏观变形和微观组织演化机制进行系统的调查，调整不等变形和优化成形过程（McDowell，2010）。 因此，提出了一种多尺度通过过程建模方案，由微观细胞自动机模型，中尺度晶体可塑性模型，耦合大尺度内部状态变量模型和宏观有限元模型组成，用于复合物的局部加载形成 钛组分。

2.1． 内部状态变量本构模型耦合微结构演化

在钛合金的热加工中，宏观变形与微观结构演化有很强的相互作用。耦合微观结构演化的本构模型对于桥接宏观变形和微观结构演化至关重要。然而，两相钛合金中hcpĮ相和bccȕ相的共存引起显着的异质变形，使微观结构演化和组成响应复杂化，大大增加了建模难度。为了解决这个问题，首先引入了移动晶界面，不动边界面和位错密度作为状态变量，以描述组分相变形与动态再结晶（DRX）的相互作用（方程（1）和（2）） ; Į相对ȕ相演化的影响是通过考虑粒子刺激成核和对边界迁移施加阻力来建模的（等式（3）和（4））;应用粘塑性自相一致方案来表征两个组成相的异质变形。综合考虑，钛合金的热加工成立了基于内部变量的自相一致的本构模型，能够统一预测流动应力和微观组织演化（Fan和Yang，2011）。该模型对于诸如Ti-6Al-4V，IMI834和TA15的许多两相钛合金具有良好的通用性，部分部分应用如图1所示：

图1.本构模型的应用：（a）Ti-6Al-4V的预测流量应力，（b）IMI834预测流量应力，（c）预测IMI834的重结晶动力学（Fan and Yang，2011）

2.2 等温局部加载成形的过程耦合热机械有限元模型

局部加载成形是一个多步骤成型过程，每个步骤包含几个操作：加热，保持，变形和冷却。 每个操作都可能影响工件的成形质量。因此，建立一个通过过程的FE模型对于局部荷载的变形和微结构控制是必要的成型。 表1显示了每次操作中的微观结构演化。 统一的材料模型，考虑整个过程中的微观结构发展是基于确定的机制而开发的。 然后，材料模型实施为FE代码，为本地加载建立一个通过过程模型（Fan等，2014）。 通过过程模型可以预测宏观变形和微观结构参数在每个加载区域和过渡区域（图2），这是符合实验观察。

表1 单一加载步骤中的微结构发展（Fan et al.，2014）

图2 局部荷载形成后温度（a），应变（b），体积分数（c）和晶粒尺寸（d）的预测分布（Fan et al。2014）

2.3 水晶可塑性FE模型耦合DRX演化

晶体可塑性有限元（CPFE）模型作为多机构多物理平台，阐述了在复杂的内外边界解决晶体机械问题的优点条件（Roters et al，2010）。这是调查多尺度不平等机制的重要工具局部加载成形时的变形。此外，CPFE模型可以捕获局部变形信息在微观结构变化中起关键作用的粮食层面，为其提供重要信息微结构建模。 DRX是重要的冶金现象，对其影响很大钛合金热加工中的微观组织演化和变形行为。所以建立CPFE模型耦合的DRX演化是研究同步响应的DRX，热机械的关键钛合金热加工行为和中尺度不等变形。但是，随机的数量DRX中的成核和生长难以在中尺度建模中表征，并且其相互作用变形和微观结构演化使得CPFE模型的计算效率低下且不稳定。对此提出了描述DRX的成核和生长的等效方法（图3），这减少了对DRX模型的复杂性进行了大量的改进，提高了CPFE模型的效率和稳定性。此外，剪切采用晶体可塑性计算出的滑移系数应变率来确定位错密度成像速率的DRX（方程（5）和（6）），其特征是变形对微观组织演变的影响。同时，为了表达微观结构演化对塑性响应的影响，滑移阻力与位错密度和微结构（等式（7））。然后，考虑有效的晶体塑性本构模型DRX被开发。本构模型基于实数实现为中尺度有限元模型钛合金的显微组织，使得基于真实微结构的连接DRX的CPFE模型是成立开发的模型可以准确预测流动应力行为，再结晶晶粒尺寸钛合金热加工的纹理演变，如图4所示。此外，这种模式可以成功应用于体积形变中的大变形，具有良好的稳定性（Li等，2013; Wu et al。，2013a）。

图3 描述DRX的成核和生长的等效方法：（a）实际微观结构; （b）球状颗粒并重结晶界核; （c）M粒和R粒的体积恒定; （d）R粒子的生长和反复成核（Li et al，2013）。

图4 中尺度CPFE模型与实验测量结果的比较：（a）流动应力行为; （b）重结晶晶粒大小; （c）质地（Li和Yang，2012; Li et al，2013）

2.4 微结构形态演化模型

在钛合金的等温局部加载成形中存在许多微观结构机制，如晶粒粗化，不连续动态再结晶（ȕ-DDRX)）和连续动态重结晶（Į-CDRX）。这些微结构机制可以大大影响晶粒尺寸材料的微观结构形态，从而影响机械性能。表征进化的微观结构形态，考虑上述微结构机制的细胞自动机（CA）模型发展了。对于晶粒粗化，通过沿晶粒扩散控制的粗化机理边界和体积，溶质阻力和晶界的各向异性流动性的影响模仿。而在ȕ-DDRX和Į-CDRX的建模中，亚结构增长，迁移和位错考虑了密度演化。然后，CA模型与CPFE模型相结合。 CPFE模型是进行晶粒取向变形参数，如应变和晶体取向在每个模拟步骤中导入到CA模型，以计算变形对微观结构演化的影响。最后，建立了钛合金热加工微观结构形态演化模型。图5给出了实验和预测微观结构形态的比较（Wu，2013; Wu et al，2013b）。

图5在1050℃，0.01s-1和不同的条件下TA15合金的实验（a，b）和预测（c，d）微观结构之间的比较（a，c）40％; （b，d）60％（Wu，2013）。

3.钛合金局部荷载成形中微观组织演化与形状的控制

在钛合金的局部加载成形中，不均匀的变形和微观组织演化非常复杂并具有相互作用，这通常导致一些微观和宏观形成缺陷，例如粗化微观结构，底部填充，折叠等。 揭示不平等变形的作用微观结构演化和宏观缺陷将为微观组织演化的统一控制提供指导和钛合金的局部加载成形中的成形。

3.1局部加载成形过程中的整体演化机理与规律

每个操作中的微观结构机制，包括加热，保持，变形和冷却通过系统实验研究局部加载成形。实验结果表明TA15合金在加热和保持阶段的粗化机理随温度变化如下。的主要是通过在较低温度下沿着晶界的扩散来控制粗化过程通过在较高温度下通过基质的扩散控制（Wu et al。，2013c）。变形行为并通过等温中断和不间断压缩试验研究了机理（Fan et al。，2011b）。结果表明，TA15合金在两相区域变形的流动应力呈现低峰值应变通过明显的流动软化，流动软化主要与ȕ-DDRX和Į-CDRX有关。广泛的作品还通过端部淬火在变形后的冷却过程中对微观结构进行了研究实验和热模拟测试（Sun et al。，2013）。发现对于TA15合金的成核和Į片的生长包括四个步骤，包括晶界成核（ĮGB），ĮGB生长，Wigmanstauml;ttenĮ（ĮWGB）的成核和ĮWGB的增长，如图6所示。这是第一次发现ĮWGB的成核模式是界面不稳定性，而不是传统的交感成核，即ĮWGB通过表面不稳定性和ĮGB和等轴the的突起成核，ĮWGB核没有独立完整的表面。 ĮWGB的增长从一个小的突变开始蔓延成为具有扇形形态的ȕ粒，成为层状而不是形状的圆形或扁圆形长方体，ĮWGB通常比增厚ĮGB和等轴usually增长更快。

图6钛合金从两相场冷却时的Į片的示意图和生长图：（a）新界面ĮWGB的不稳定成核; （b）ĮWGB的传统交感成核（Sun et al。，2013）

3.2 钛合金局部荷载成形中的微观组织控制

在钛合金的各种形貌中，三元组织具有优异的综合性能在钛合金热加工中追求的机械性能（Zhou et al。，2005）。但是，在局部加载成形，不同区域的材料经历复杂的不等变形和温度路线相互不同，导致剪切均匀三元组织的难度较大。对此结束，设计了一个可行的模拟实验来模拟局部的多步不等变形行为加载成形，如图1所示。 7（Fan et al。，2011a）。基于微观结构的定量分析结果，可以得出结论，三模态结构可以通过接近ȕ锻制成，然后是传统的在最后一次加载通道中锻造（图8），三态结构中每个组成相的体积分数为由最后两个加载步骤的加热温度决定（Gao et al。，2012; Fan et al。，2012）。

图7 局部加载成形（一次，两步）的模拟实验：（a）第一加载步骤; （b）第二加载步骤; （c）处理路线（Fan et al。，2011a）。

图8 样品在第一次加载步骤中在970Y处变形的微观组织和在第二次加载步骤（a）中的950Y，首次加载地区; （b）过渡地区; （c）第二加载

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140701]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word