钛合金复杂大件等温局部加载不均匀变形与组织一体化调控

钛合金复杂大件等温局部加载不均匀变形与组织一体化调控，是发展钛合金复杂大件等温局部加载先进成形技术，解决钛合金复杂大件成形制造能力不足、实现成形成性一体化控制，使之满足轻量化、高性能、高可靠性与功能高效化要求，迫切需要解决的重大科学问题。本项目综合采用理论、实验、计算机仿真方法，研究建立钛合金复杂大件等温局部加载多场下钛合金微观组织演变模型、宏微观本构关系、多模具多因素多场下成形全过程多尺度仿真模型与方法；研究揭示局部加载下不均匀变形对组织演化的作用与主动调控机制；研究获取不均匀变形协调与目标组织下局部加载不均匀变形极限，揭示不同等温局部加载下工艺-变形-组织-性能的关联关系；发展多场耦合下钛合金复杂大件等温局部加载预成形毛坯、成形全过程与多模具优化设计与质量控制的理论与技术。本研究对解决我国大飞机、新一代军机等航空、航天技术发展对钛合金复杂大件先进成形技术的重大需求具有重大意义。

钛合金复杂大件等温局部加载不均匀变形与组织一体化调控，是发展航空航天高性能轻量化钛合金复杂构件精确塑性成形技术迫切需要解决的重大科学问题。本项目综合采用理论分析、实验研究和计算机仿真方法对此进行了系统的研究，取得主要进展如下：(1)建立了钛合金复杂大件等温局部加载成形全过程宏-细-微观多尺度模型：首次引入移动和固定晶界面积为内变量，建立了两相钛合金热变形耦合组织演变的机理型本构模型；结合相变理论，发展了钛合金复杂大件等温局部加载成形全过程宏观有限元模型；提出了再结晶大量形核和随机长大的等效描述方法，建立了细观晶体塑性有限元模型；将元胞自动机法与晶体塑性模型结合，建立了全过程微观组织形态的直接模拟模型。突破了局部加载不均匀变形和组织精确预测难题。(2)揭示了TA15钛合金多道次热变形保温、变形、冷却各阶段的组织演变机制与规律；探明了钛合金复杂大件等温局部加载近β成形中可能产生四种准三态组织，形成机理和条件；获得了过渡区缺陷的产生机制，发展了基于缺陷的最大不均匀变形量确定方法。提出了主动调控不均匀变形获得目标组织并避免缺陷的方法。(3)揭示了模锻形式等对成形缺陷的影响规律，优化确定了局部加载分块模具；建立了多筋件局部加载成形型腔充填预测与控制模型，实现了不等厚坯料的优化设计；探明了全过程工艺参数对局部加载钛合金组织参数的定量影响规律，提出了近β锻结合常规锻并控制变形量和冷却方式获得均匀三态组织的工艺路径。构建了钛合金复杂整体隔框类锻件等温局部加载成形技术原型，突破了钛合金整体复杂锻件省力近净成形成性一体化制造难题，成形能力提高了2倍多。研究成果在塑性成形TOP1期刊Int J Plasticity等发表学术论文72篇，撰写外文专著2章，在国内外会议做特邀报告19次。获授权发明专利12项。获国家自然科学二等奖、国家科技进步二等奖和陕西省科学技术一等奖。项目组1人入选“万人计划”百千万工程领军人才，1人获国家优秀青年科学基金，3人入选教育部新世纪优秀人才。培养研究生23人，1人获中国机械工程学会上银优博论文银奖。项目成果对发展航空航天用钛合金复杂大件先进成形技术具有重要意义。