TC4-DT钛合金厚板热轧成形数值模拟与实验研究

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1、国内图书分类号：TG146+2西北工业大学工学博士学位论文TC4-DT钛合金厚板热轧成形数值模拟与实验研究博士研究生：刘江林导师：曾卫东教授申请学位级别：博士学科、专业：材料加工工程所在单位：材料学院答辩日期：2017年7月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex:TG146+2DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyExperimentalStudyandNume

2、ricalSimulationonPlateHotRollingofTC4-DTAlloyPh.DCandidate:LiuJianglinAdvisor:Prof.ZengWeidongDegreeAppliedfor:DoctorofPhilosophySpecialty:MaterialsProcessingEngineeringSchool:MaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence:July,2017UniversityConferringDegree:No

3、rthwesternPolytechnicalUniversity西北工业大学博士学位论文摘要摘要航空、航天、航海等高科技领域的发展对大规格、高品质钛合金板材需求量与日俱增，钛合金板材轧制正朝着精确成形、高性能、低成本和数字化方向发展，其相关技术的研究是钛合金塑性加工领域所面临的重要课题之一。然而，由于理论上缺乏对钛合金板材热轧成形机理和宏微观成形规律的深刻理解，实际生产基本借用钢材生产经验，采用试错法进行生产，不仅周期长、耗资大，且不能对该过程进行有效的预测和控制，严重制约了技术的发展和设备优势的发挥。此外，钛合金板

4、材轧制过程是一个集三维成形、材料非线性、几何非线性和热力耦合等特点于一体的高度非线性问题，且钛合金自身对温度和应变速率高度敏感，密排六方结构的α相在变形过程中极易产生织构，使得钛合金热轧成形的研究成为金属塑性加工领域一个具有挑战性的难题。故本文将FEM仿真、理论解析和热轧实验相结合，对TC4-DT合金厚板轧制成形过程进行深入系统的研究。主要取得以下方面的研究成果：通过等温热模拟压缩实验获得了TC4-DT钛合金热变形行为和组织演变机制，发现TC4-DT合金对温度和应变速率比较敏感，流动失稳主要微观机制是晶间微裂纹和局部塑

5、性流动。以修正的Arrhenius双曲正弦函数为基础，建立了考虑应变影响的TC4-DT合金高温变形本构方程。其相关系数和平均误差分别为0.9952和5.78%，具有较高的精度，为后续有限元模型建立提供了保证。基于DMM模型，采用Prasad失稳准则建立了TC4-DT合金热加工图,获得了合金加工的安全区和塑性失稳区，并优化出较佳的热加工窗口。在解决关键问题的基础上建立了TC4-DT钛合金厚板热轧成形过程有限元模型。通过温度场、几何形状变化和成形载荷方面的比较验证了所建模型的可靠性。深入研究了热轧变形区内形变分布的一般特征

6、，发现变形区截面非均匀性产生于ND及RD方向金属流动差异，且与两个特征方向应变和温度分布梯度密不可分。系统研究了轧制参数对变形区形变特征的影响规律，并以力能参数和SDP（塑性应变标准差）为指标进行灵敏度分析，结果表明：力能参数对轧制温度T0最敏感，其次是轧辊半径R和道次变形量，再次是摩擦系数μ，对的敏感度最低。SDP对最敏感，其次是μ和，再者是T0，最后是R。以设定的三个温度变化量为指标，以板材不同厚度三个特征节点温度变化历程为对象，系统研究了轧制工艺参数和几何参数对TC4-DT合金厚板热轧温度场影响规律。发现

7、热轧板材温度对初始轧制温度T0最敏感，其次是、、μ。相比轧制工艺参数而言，几何参数对温度影响显著性较低。基于仿真获得轧制板材温度分布规律和传热学基本理论，以板材热轧宽向温度分布均匀假设为前提，建立I西北工业大学博士学位论文了TC4-DT合金热轧板材单道次温度场模型。通过原始板材和不同轧制方式板材室温拉伸性能测试，发现原始板材和轧制后板材均存在一定程度各向异性。借助于XRD宏观织构分析，发现原始板材的主要织构组分为01132110和01130332；UR（单向轧制）-20%轧制后，表层和心部01132110

8、织构消失，01130332减弱，在板材心部出现了新的织构类型01134512；UR-50%轧制后，三个特征厚度层均保留了原始织构类型，表层织构减弱，1/4H层基本不变，心部略有增大，并在心部出现了新的织构类型01100001；当在CR（交叉轧制）-50%时，只有表层01132110消失，其他两个层均保留了原有的织