tc21复杂构件高效超塑成形技术的研究

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1、学校代码：10406分类号：TG311学号：120085232015南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）TC21复杂构件高效超塑成形技术的研究硕士研究生：甘雯晴导师：王高潮教授申请学位级别：硕士学科、专业：航空工程所在单位：航空制造工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：南昌航空大学StudyonHigh-efficiencySuperplasticFormingTechnologyofComplexComponentsinTC21TitaniumAlloyADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnAeronautical

2、EngineeringbyGanWenqingUndertheSupervisionofProf.WangGaochaoSchoolofAeronauticManufacturingEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaMay,2015摘要TC21是应用于现代航空航天领域的一种新型损伤容限型钛合金，本文所研究的对象TC21钛合金左推力销支座是飞机的重要承力结构件之一，但其形状复杂，在普通锻造成形过程中材料利用率低下，组织性能无法满足需求。怎样才能完整并高效地成形损伤容限型钛合金复杂构件已成为亟需解决的问题。本文提出

3、的高效超塑等温锻造成形方法，与传统的普通模锻成形方法相比，不仅能满足产品构件复杂的形状要求，而且能有效地提高超塑性成形效率。该方法在航空复杂构件超塑成形的工程应用领域具有广阔的应用前景。本文对供货态的TC21钛合金进行了一系列组织分析测试和超塑性力学性能研究，根据实验结果构建了TC21钛合金超塑性本构方程，还通过有限元软件DEFORM进行超塑性拉伸和超塑性等温锻造数值模拟，获取最佳变形参数。具体研究内容如下：(1)对供货态TC21钛合金使用光学显微镜进行金相分析，使用扫描电镜进行能谱测试获得其元素成分含量，通过计算法得到其β转变温度为965℃。(2)在电子拉伸试验机上对TC21钛

4、合金试样在860℃-940℃进行了最大m值法、基于m值的高效法、应变速率循环法超塑性拉伸实验，实验结果表明，900℃温度下：最大m值法的延伸率达到431.49%，变形效率为2.48；而高效法的延伸率为293.87%，所对应的变形效率却达到了15.15，高效法较最大m值法来说变形效率提高了6.1倍。(3)在温度为860℃-940℃范围内进行五组应变速率循环法超塑性拉伸实验，利用了逐步回归的方法，构建基于Arrhenius的TC21钛合金超塑性本构方程，求出激活能为233.712kJ/mol。再通过1stOpt软件回归拟合进行本构模型的修正后，其计算值与实验值的匹配度高达0.99。该

5、本构方程可以精确地反映材料流动应力与应变、应变速率和变形温度之间关系，还可作为有限元模拟条件。(4)设计超塑性等温锻件及模具，将有限元模型导入DEFORM-3D软件，对左推力销支座锻件的成形过程进行数值模拟。模拟不同的参数条件和锻造工艺方法对锻造过程的影响，可获得金属流动变化规律、应力应变等参数变化和载荷曲线等。根据模拟结果优化毛坯和模具，确定最佳成形方法，为TC21钛合金左推力销支座的实际锻造工艺和模具设计提供有力依据。关键字：TC21，高效法，本构方程，超塑性，数值模拟IAbstractTC21titaniumalloyisanewtypeofdamagetolerancet

6、itaniumalloyusedinmodernaerospace.TC21titaniumalloyleftthrustpininthisstudyisoneofload-bearingstructureofaircraft,butithascomplexshape,materialutilizationislowinordinaryforgingprocessandorganizationalperformancecannotmeetdemand.Andhowcanwecompletelyandefficientlygettheformingdamagetoleranceti

7、taniumalloycomplexcomponentshasbecomeanurgentproblem.High-efficiencysuperplasticformingtechnologycomparedtotheconventionalordinarydieforgingtechnologynotonlycanmeetthecomplexrequirementsofthecomponentshapesofproduct,butalsocaneffectivelyimpro