电流辅助钛波纹管成形工艺研究

论文摘要

钛及钛合金密度低，比强度高，在高温和低温下性能都很好，具有优异的生物相容性和良好抗腐蚀性能，因此作为新型金属在航空航天、石油化工、医学及民用领域应用前景广泛。钛及钛合金波纹管主要应用于航空航天、石油化工等对性能要求高的场合，其现有的成形方法主要是液压成形、机械成形等冷成形方法，但是常温下钛及其合金成形较困难；新兴的超塑成形方法成形效率较低、能耗大。利用钛管材电阻率高、横截面积小的特点，直流加热可以在几十秒内将坯料加热到成形温度，提高了生产率和材料利用率，并且降低对环境的污染，改善了生产环境。同时，采用气胀与轴向加载的复合工艺成形钛波纹管，避免壁厚的过分减薄。本文采用ANSYS软件对电流辅助成形的加热过程进行数值模拟，通过实验确定陶瓷模具成分与制备方法，最后采用陶瓷模具整体成形与单波连续成形方法成形波纹管，研究用电流将钛管材加热到650～700℃时，钛波纹管成形的工艺参数、壁厚分布及组织变化。对电流加热过程进行模拟，得到电加热的温度场分布为中间温度高、靠近电极处温度低；刚加载电流时升温速度比较快，随着时间增加温度逐渐趋于平衡。升温速率与电流密度、材料长度及其形状尺寸有关。陶瓷材料的性能与其成分和显微结构有关，即使是同样的成分其制备方法不同则性能差别也很大。通过对不同成分及制备方法的陶瓷性能研究，最终制备的陶瓷模具材料选用成分配比为1:1:1，弯曲强度为8.153MPa。成形过程分为三阶段：形成初波、轴向补料与定型充满。用MARC软件模拟不同条件下，钛波纹管整体成形的成形情况，并结合理论分析初步确定成形的工艺参数。对外径为12.7mm，壁厚为0.65mm的钛管进行双波整体成形，成形电流为180A，对外径为31.8mm，壁厚为0.90mm的钛管进行单波连续成形，成形电流为740A，均在60s加热到650℃。分析成形中产生的问题，发现成形的关键在于：密封、电加热的温度均匀性和补料问题。胀形波纹壁厚分部均匀，其在不同部位的组织差别很大：原始组织为6～7μm的α相等轴晶粒，波谷晶粒长大，中部和波峰晶粒粗大且晶内具有大量板条组织与孪晶。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛及钛合金
• 1.2.1 钛及钛合金的性能
• 1.2.2 钛及钛合金成形工艺性
• 1.3 钛及钛合金波纹管的成形方法及应用
• 1.3.1 钛及钛合金波纹管的成形方法
• 1.3.2 钛及钛合金波纹管在国内外的应用及趋势
• 1.4 电流辅助成形工艺
• 1.5 课题意义及主要研究内容
• 1.5.1 课题研究的目的和意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 ANSYS 有限元模拟电流辅助加热过程
• 2.1 引言
• 2.2 有限元法及ANSYS 软件简介
• 2.3 钛管材电流辅助成形加热装置
• 2.4 电流加热的计算模型
• 2.4.1 电流加热的能量传输分析
• 2.4.2 有限元计算模型
• 2.5 成形管坯的热电耦合模拟过程
• 2.5.1 定义单元类型及材料属性
• 2.5.2 建立有限元几何模型并划分网格
• 2.5.3 边界条件
• 2.5.4 加载并求解
• 2.6 计算结果与分析
• 2.6.1 温度场分布
• 2.6.2 影响升温速率的主要因素
• 2.7 本章小结
• 第3章 实验材料及成形模具的设计与制造
• 3.1 引言
• 3.2 钛管坯的高温拉伸试验
• 3.3 陶瓷模具成分确定及制备
• 3.3.1 三点弯曲实验
• 3.3.2 压缩试验
• 3.3.3 热膨胀系数的测定
• 3.3.4 制备波纹管整体成形采用的陶瓷模具
• 3.4 电流辅助钛波纹管单波连续成形模具设计
• 3.4.1 电流辅助钛波纹管单波连续成形的原理
• 3.4.2 实验模具
• 3.5 本章小结
• 第4章 成形实验及组织分析
• 4.1 引言
• 4.2 波纹管成形有限元模拟
• 4.2.1 模拟前处理
• 4.2.2 模拟结果分析
• 4.3 采用陶瓷模具成形波纹管
• 4.3.1 成形相关参数计算
• 4.3.2 成形实验装置
• 4.3.3 实验流程
• 4.3.4 实验结果分析
• 4.4 波纹管单波连续成形
• 4.4.1 实验流程
• 4.4.2 实验结果分析
• 4.5 组织分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢