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1、目 录1 引言 11.1 课题的意义和背景 11.1.1 钛合金在现在工业中的应用 11.1.2 钛合金成形技术的发展 21.1.3 等温锻造的特征、优点及适用范围 21.2 钛合金的组织、性能与锻造 51.2.1 钛合金的一般特性 51.2.2 ( 十 )钛合金的组织与性能 51.2.3 ( 十 )钛合金的锻造与组织 71.3 数值模拟技术 91.3.1 数值模拟技术的发展历史 91.3.2 数值模拟技术的分类 101.3.3 有限元法在塑性加工中的应用 111.4 课题主要研究内容及研究方法 131.4.1 课题主要研究内容 131.4.2 课题主要研究方法 142 钛合金等温锻造铅模具设
2、计 142.1 钛合金成形工艺分析 142.1.1 钛合金加热过程中的常见问题 142.1.2 锻坯坯料准备 152.1.3 确定锻造温度、变形程度 152.1.4 钛合金锻造过程中常见的缺陷 162.2 锻件图设计 182.2.1 锻件图设计简介 182.2.2 制定零件锻件图 192.3 锻坯设计 222.3.1 锻坯设计简介 222.3.2 确定零件锻坯 232.4 锻模设计 232.4.1 模具材料 232.4.2 凸、凹模及固定 243 数值模拟基础 243.1 塑性力学知识 243.1.1 有限元法基础 243.1.2 力学方程 273.1.3 刚粘塑性有限元变分原理 293.2
3、塑性有限元矩阵方程组 323.2.1 变形体离散化 323.2.2 变形体线性化 364 等温锻造数值模拟模型建立及模拟过程 374.1 数值模拟过程中的关键问题 374.1.1 钛合金相关性能参数 374.1.2 网格重划分与网格自适应技术 394.1.3 模拟过程条件确定 414.2 工艺参数选取 414.2.1 变形温度 414.2.2 凸模速度 424.2.3 摩擦系数 434.2.4 锻造过程中的温度场分析 434.3 毛坯锻造过程仿真 444.3.1 DEFORM 有限元分析系统简介 444.3.2 锻件成形分析 454.3.3 仿真过程及分析 464.3.4 毛坯成形对比分析 5
4、05 钛合金等温锻造铅坯试验 505.1 铅试样模拟钛合金等温锻造的可行性分析 505.1.1 相似性理论 505.1.2 模拟可行性分析 515.2 铅试验方案 535.2.1 试验目的 535.2.2 试验设备 535.2.3 工艺方案 536 结论 54参考文献 56致谢 581 引言11 课题的意义和背景1.1.1 钛合金在现代工业中的应用随着现代工业的发展，人们对机器的机械性能的要求越来越高。特别是随着航空航天技术的发展，人们对材料的加工工艺的研究得到了很大的进展。单纯依靠改进材料的加工工艺来提高材料的性能已经不能满足人们的需求，于是，人们开始寻求一些新的性能更好的材料来替代先前的材
5、料。钛合金材料应运而生。钛合金材料具有很多优点，如它的强度大，质量轻，比强度位于主要结构材料的前列。这些优点，恰恰符合现代工业，特别是航空航天工业对材料的要求。因而，钛合金被广泛应用于医疗、航天、航空等工业。从 20 世纪 50 年代开始，钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，可以减轻飞机的重量，提高结构效率。在飞机用材中钛的比例，客机波音 777 为 7%，运输机 C217 为 10.3%，战斗机 F24为 8%， F215 为 25.8%，F222 为 39%1。几十年来，国内外针对航空应用所研究的钛合金等均取得了很大进步，许多合金也得到广泛应
6、用。我国战斗机的钛用量也在不断扩大：20 世纪 80 年代开始服役的歼八系列的钛用量为 2，两种新一代战斗机的钛用量分别为 4和 15，更新一代的高性能新型战斗机的钛用量将达 2530。我国早期生产的涡喷发动机均不用钛，1978 年开始研制并于 1988 年初设计定型的涡喷 13 发动机的钛用量达到 13。2002 年设计定型的昆仑涡喷发动机是我国第一个拥有完全自主知识产权的航空发动机，钛用量提高至 15。即将设计定型的我国第一台拥有自主知识产权的涡扇发动机又进一步把钛用量提高到 25的水平。 2钛合金不仅在航空、航天工业中有着广泛的应用，在汽车行业更是如此。钛在新一代汽车上主要分布在发动机元
7、件和底盘部件上。在发动机系统，钛可制作阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等部件；在底盘部件主要为弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。这些都是汽车上的关键部件。以每辆四缸汽车发动机使用钛 3.6 公斤计算（可使发动机自重减轻 2.3 公斤） ，如果全世界每年有 100 万辆汽车使用这种发动机，钛合金用量将达到 3600 吨 3。然而采用传统方法锻造时，钛合金的成形性能不佳，变形抗力大，需使用大型锻造设备。一般只能制成粗锻件，金属材料利用率低，且因机加工性能很差，机加工成本高，加上大量的金属被切，致使成品零件价格昂贵。另外，钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织
8、性能的变化。而常规模锻工艺参数不能精确控制，随意性大，造成锻件组织和性能波动较大。因此，钛合金的这些缺点阻碍了其在各领域中的应用 4。1.1.2 钛合金成形技术的发展目前国际上钛合金等温锻造技术的发展概况：俄国等温锻造工艺及产品有钛合金叶片等温锻造、钛合金压气机盘等温锻造、飞机钛合金结构件的等温锻造、高温合金涡轮盘的等温锻造。 5自 1969 年召开国际钛合金应用研讨会以来，钛合金开始应用于火箭、导弹、航空和宇航以及武器装备，各国加紧了钛合金的成形研究 6，7 。1968 年和 1971 年，苏联先后获得钛及钛合金叶片毛坯等温模锻方法的发明证书和生产等温变形用的装置的发明证书。1972 年美国
9、发表了相似的专利 8。 （苏）尼可里斯基等人研究了钛合金的模锻和挤压成形，提出了钛合金成形的基本理论和力学计算，给钛合金成形工艺提供了基本理论。 （苏）菲格林等研究了钛合金等温成形技术精锻钛合金锻件，普通锻造工艺的锻件重 6.3Kg，采用等温成形技术锻件仅重 0.8 Kg；他们锻造成形的发动机叶轮，普通锻造工艺的锻件重 24 Kg，采用等温成形技术锻件仅重 10 Kg。在国内，也有不少专家学者在这方面做了一些研究。王少林、李键等研究了TC11 钛合金热变形行为和热处理对组织性能的影响，给出了该材料的热变形力学模型和组织性能；赵永庆等研究了 Ti-40 阻燃钛合金铸态的高温变形机理，研究了该材料
10、的热变形力学行为并建立了本构关系；北京机电研究所用超塑性成形方法成形出了火箭发动机燃料容器-钛合金球罐和钛合金叶片；华北工学院研究了 TC4 钛合金超塑变形力学行为；北京航天工艺研究所研究了 TC1 钛合金隔板热成形工艺和超塑成形/扩散焊接复合成形等技术问题；52 所研究了钛合金轻型火炮底座成形工艺问题。1.1.3 等温锻造的特征、优点及适用范围为了保证钛合金锻件在室温和高温下均具有良好的综合性能， 合金、( 十)两相合金通常都是在低于 转变温度以下温度范围内以中等应变速率锻造的。这种方法是一种传统的锻造方式，常称作( 十 )两相锻造或常规锻造。但是，由于锻造温度低、变形抗力大，难以锻出形状复
11、杂、尺寸精确度高的锻件，也造成所需设备吨位大、材料利用率低、机械加工量大等问题。为了解决上述问题，出现了 锻造、近 锻造和等温模锻等成形工艺方法 9。等温锻造是指自始至终模具与工件保持相同的温度，以低应变速率进行变形的一种锻造方法。为防止锻件和模具的氧化，常在真空或惰性气体保护的条件下进行10。等温锻造是近几年发展起来的一种先进的锻造技术。等温锻造是在坯料温度和锻模温度基本一致的情况下进行的。在等温成形条件下，锻件以较低的应变速率进行变形，变形材料能够充分动态再结晶，从而可大部分或全部克服加工硬化的影响。等温锻造的主要特点是模具与成形件处理基本相同的温度，因此需要带有模具加热及控温装置。等温锻造一般速率较低，主要采用液压机。除此之外，等温锻造还有如下特征：等温锻造有以下特征：1) 在整个锻造过程中，锻模与锻件始终保持在同一加工温度；2) 锻造速度很慢，应变速率很小；3) 为防止氧化，锻模与锻件有时置于真空或惰性气体环
