大规格块体金属在连续变断面循环挤压中的组织细化机理研究

采用一种新的大塑性变形方法-连续变断面循环挤压，对航空发动机上用量较大的钛合金进行变形，研究钛合金在连续变断面循环挤压过程中金属的塑性变形机理，应变量与钛合金组织均匀性、晶粒大小及性能之间的关系等。通过本项目的研究，得到钛合金连续变断面体几何形状参数与其成形性之间的关系，钛合金变形协调的必需条件，获得应变量与关键技术参数之间的关系,累积应变量与组织演化及性能变化之间的关系，及采用这一新方法变形过程中的组织细化机理。在此基础上采用连续变断面循环挤压法制备出大规格块体钛合金细晶材料，探索本方法的科学性和实践可行性。研究结果可以为应用一种制备大规格钛材组织性能优良，工艺技术可行的新的大塑性变形方法提供工艺及理论基础，促进大规格块体细晶材料制备技术向应用进展，从而为制备航空发动机用高性能钛合金材料提供一定的理论与技术支撑。

钛合金在飞机上主要用做航空发动机压气机盘及叶片等重要零件，其性能对组织非常敏感，而细化材料组织能够提高其强韧性，进而满足飞机对性能要求的不断提高。大塑性变形技术是细化材料组织较好的方法，本项目就是采用一种新的大塑性变形方法—连续变断面循环挤压，对航空上用量较大的TC4钛合金进行变形，研究其塑性变形机理及组织细化机理。主要研究内容和结果：1)采用物理模拟，对具有不同几何形状参数的1A85纯铝、铅和TC4钛合金进行镦粗变形，获得金属在镦粗时的变形特征及金属流动规律，得到铝合金和钛合金分别在最佳模角α＝6°镦粗时变形协调的必需条件，确立累积应变量与变形体高度、锥度等关键参数之间的关系式；并从理论上进行分析，明确大高径比的连续变断面圆台体变形时的几何形状控制就是通过设定的这种在“时空”上具有不均匀变形的方法实现的。2)对变形系统进行改进和优化，设计了一套连续变断面循环挤压用复合模具。3)采用不同工艺参数的连续变断面循环挤压及热处理对Φ20mm的TC4合金进行变形和热处理，获得变形工艺参数和热处理制度对试样组织性能的影响规律，确立累积应变量与材料组织演化及性能变化的关系，得到晶粒尺寸为2～3um TC4合金的工艺制度： 800℃，2mm/s，6道次，WC+750℃，2h，AC。此外，还获得连续变断面循环挤压时的组织细化机理。4) 研究了变形时工艺参数包括变形温度、变形程度及变形速率对TC4合金变形体几何形状的影响。5) 通过热模拟压缩试验，确立2～3um细晶TC4合金流动应力的数值模拟模型。6) 采用Deform软件，建立了在细化Φ20mm的TC4合金组织最佳工艺参数进行连续变断面循环挤压时数值模拟几何模型，明确其在不同变形循环及工序时的应变、应力、温度、变形速度分布情况。7) 研究了较大直径Φ30mm、Φ40mm的TC4合金在连续变断面循环挤压时的组织性能，得出其规律与Φ20mm TC4合金棒材类似。8) 为了验证本方法的实践可行性，在细化晶粒较佳的工艺参数800℃，6～8道次，采用连续变断面循环和镦粗－拔长两种方法对φ82mm的TC4合金进行变形，得知经连续变断面循环挤压制备的材料的组织沿径向分布较均匀，晶粒尺寸约为5um；经过分析对比，明确连续变断面循环挤压法在组织细化效果方面的优势。研究结果对航空发动机用高性能较大规格钛合金材料制备的工艺技术及理论具有重要意义。