超塑成形技术在耐热结构件上的应用研究

论文摘要

先进材料的超塑成形与超塑成形/扩散连接技术,是航空航天领域中材料及其成形研究的重要内容之一。钛合金和镍基合金都具有强度高、耐腐蚀、耐高温等优良性能,但其在常温下或变形抗力高,或塑性较差。将其处理成等轴细晶组织的状态,在超塑温度下,成形性能就变得异常地好。本文分别以应用最广泛的钛合金（TA15和TC4）作为研究对象,针对航空航天领域的耐热结构件,进行了多层板结构超塑成形/扩散连接工艺研究及缺陷模型分析。系统研究了TA15的超塑拉伸性能,测定了材料的最大伸长率、最佳拉伸速度和最佳成形温度T以及应变速率敏感性指数m。研究表明,TA15在较高温度880℃-930℃和较高拉伸速度0.6 mm/min下具有高的伸长率,在温度为930℃、拉伸速度为0.6 mm/min时,具有最大伸长率,伸长率近1500%;在930℃、拉伸速度为0.3 mm/min时m值为0.71。综合考虑,TA15合金的合理超塑形成形温度在900℃左右,合适拉伸速度在0.6 mm/min左右,此时流动应力在35MPa左右。在研究热力学理论和金属扩散理论的基础上,进行了异种材质钛合金TA15和TC4的扩散连接可行性试验,初步确定了两种钛合金的扩散连接工艺参数,在此基础上,制备出了扩散连接件。在对钛合金扩散连接工艺研究的基础上,对钛合金多层板结构件的超塑成形问题进行了研究。通过先扩散连接后超塑成形的方法,得出多层钛合金板扩散连接/超塑成形的最佳工艺参数。分析了显微组织对接头界面的影响和成形后板材的厚度分布。实验结果表明,最佳的扩散连接参数为:连接温度930℃,连接压力25MPa,连接时间30min,真空度高于6.5×10-2Pa;最佳的超塑成形参数为:成形温度930℃,成形时间为35min,成形压力0.5MPa。针对超塑成形技术在工程应用中出现的成形缺陷进行了动态分析,建立了非对称模腔的面畸变模型和压应力转移-表面褶皱模型,明确了复杂的应力状态是形成表面褶皱的关键原因。在超塑成形工艺中,静态的工艺参数已经不能满足工程实践的要求,对工艺流程的动态分析应当受到重视,需要建立包含更细致约束条件的精确模型,以解决实际问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 超塑技术的领域拓展
• 1.1.2 超塑技术的纵深研究
• 1.2 超塑材料的力学特性、组织变化
• 1.2.1 超塑材料的力学特性
• 1.2.2 超塑成形过程中的组织变化
• 1.3 钛合金的材料特性及超塑性能
• 1.4 超塑成形/扩散连接复合工艺流程
• 1.5 超塑成形/扩散连接技术应用现状
• 1.6 课题的目的和意义及主要研究内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 TA15 钛合金超塑性拉伸试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验原材料及试样准备
• 2.3 研究内容
• 2.4 超塑性拉伸试验方法
• 2.5 应变速率敏感性指数的确定方法
• 2.5.1 变速度法测定m 值
• 2.5.2 等速度法测定m 值
• 2.6 TA15 超塑性拉伸试验
• 2.6.1 最佳超塑性工艺参数的测定
• 2.6.2 应力-应变关系曲线
• 2.6.3 m 值的确定及分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 超塑性扩散连接的扩散理论及影响因素
• 3.1 引言
• 3.2 扩散连接的基础理论及接头形成机制
• 3.2.1 费克定律
• 3.2.2 接头形成机制
• 3.3 超塑性扩散连接的原理工艺及影响因素
• 3.3.1 原理及工艺
• 3.3.2 影响因素
• 3.4 本章小结
• 第4章 异组织钛合金扩散连接研究
• 4.1 试验目的和准备
• 4.1.1 试验目的
• 4.1.2 试验过程
• 4.1.3 试验设备
• 4.1.4 试样制备
• 4.2 试验方案和过程
• 4.2.1 试验参数
• 4.2.2 试验方案确定
• 4.3 性能检测和微观组织分析
• 4.3.1 扩散连接试样力学性能测试
• 4.3.2 拉伸断口微观分析
• 4.4 异组织钛合金扩散连接试验件制备
• 第5章 钛合金多层板结构超塑成形/扩散连接工艺研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验准备
• 5.2.1 钛合金多层板结构SPF/DB 复合工艺模具结构设计
• 5.2.2 试件准备
• 5.2.3 试验过程
• 5.3 钛合金扩散连接工艺研究
• 5.4 钛合金多层板结构超塑成形工艺研究
• 5.4.1 钛合金四层板结构SPF/DB 组合工艺
• 5.4.2 钛合金三层板结构SPF/DB 组合工艺
• 5.5 多层板结构的组织分析及壁厚分布
• 5.5.1 钛合金多层板结构件的微观组织分析
• 5.5.2 厚度分布
• 5.6 本章小结
• 第6章 约束条件下的超塑成形缺陷模型构建
• 6.1 引言
• 6.2 非对称模腔的面畸变模型
• 6.3 压应力转移-表面褶皱模型
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录