循环相变诱导的钛合金筒形旋压件织构调控机理及形/性一体化研究

The forming of a high r value of [hkil]//ND fiber texture in the tube spinning titanium alloy component results in isotropy in the wall surface direction and texture strengthening in the wall thickness direction, which is an effective way to solve the strongly anisotropy problems of the component. In order to prepare a high r value of [hkil]//ND fiber texture, the method of cyclic phase transformation induced orientation variables selection of the TC21 titanium alloy will be adopted in this research. The mechanisms of the spinning texture evolution of the alloy will be studied. In order to explore the formation condition of high r value of [hkil]//ND fiber texture, the orientation variable selection behavior and evolution mechanisms of the spinning texture by cyclic phase transformation will be investigated carefully. Based on the above, the secondary development of the finite element numerical simulation software in order to introduce the formation condition of high r value of [hkil]//ND fiber texture will be carried out，and the process parameters of the component with high r value of [hkil]//ND fiber texture and precision spinning forming will be optimized. It is believed that the experiment results will open up the shape-property integrated regulation of the tube spinning titanium alloy component.

钛合金筒形旋压构件内部形成高r值[hkil]//ND纤维织构，可使构件壁平面方向上呈现各向同性和壁厚方向上呈现织构强化，是解决构件内部存在强烈各向异性问题的有效途径。本项目拟以TC21钛合金筒形旋压构件为研究对象，将循环相变诱导旋压织构转变形成高r值[hkil]//ND纤维织构“控性”与有限元旋压成形“控形”结合起来，形成基于织构“控性”与有限元“控形”的形/性一体化调控。研究内容包括：研究旋压变形织构演化的微观机制，揭示旋压织构形成机理；研究循环相变诱导旋压织构转变时取向变量选择行为及织构演化，揭示高r值[hkil]//ND纤维织构形成机理；在此基础上，对有限元数值模拟软件进行引入高r值[hkil]//ND纤维织构形成条件的二次开发，根据构件内部形成高r值[hkil]//ND纤维织构和旋压成形角度来优化旋压+循环相变工艺方案及参数，实现构件织构“控性”与有限元“控形”的形/性一体化调控。

钛合金筒形旋压构件内部形成高r值[hkil]//ND纤维织构，可使构件壁平面方向上呈现各向同性和壁厚方向上呈现织构强化，是解决构件内部存在强烈各向异性问题的有效途径。本项目以钛合金筒形旋压构件为研究对象，将循环相变诱导旋压织构转变形成高r值[hkil]//ND纤维织构“控性”与有限元旋压成形“控形”结合起来，形成基于织构“控性”与有限元“控形”的形/性一体化调控。主要研究结果如下：① 研究了TC21钛合金热变形行为和组织演变规律。流变应力随变形温度降低或应变速率提高而增大。构建了合金流变本构模型。确定了合金变形激活能为705.3 kJ/mol。② 研究了TC21钛合金旋压组织和织构演变。当旋压温度较低和旋压速度较快时，沿旋压件轴向和环向均呈现出α片层组织被压扁、拉长，随着旋压道次和减薄量增加，会出现纤维组织。随旋压温度升高，片状组织出现等轴球化，增加旋压道次和减薄量，片状组织球化现象越明显。旋压织构主要存在{0002}<11-20>、{-2116}<2-641>和{0002}型纤维织构。增大旋压变形量促进{0002}<11-20>、{-2116}<2-641>织构强度，而提高旋压温度则促进{0002}型纤维织构形成。③ 研究了热处理对钛合金筒形旋压微观组织和织构的影响。在（α+β）相区热处理时，出现明显α相动态再结晶。保温时间较短时，拉长α相界弓弯；随着保温时间延长，拉长α相被“掐断”、β相嵌入到α相。在β相区热处理时，旋压的拉长（α+β）组织全部转变成等轴β晶粒。β晶粒尺寸与保温时间存在幂函数关系，与加热温度存在指数关系。热处理后，旋压织构{-2116}<2-641>、（0002）<11-20>织构和{0002}型纤维织构强度减弱，并形成{-2110}//ND织构。④ 开展了TC21钛合金筒形旋压件旋压过程和织构的有限元数值模拟与工艺优化研究。增大减薄率>30%时，除出现基面织构（0002）<2īī0>外，还会出现纤维织构；增加主轴转速促进晶粒（10ī3）、（0002）和（10ī0）向旋压面方向旋转；增大进给速度促进形成{-2116}<2-641>、（10ī3）<uvtw>、及（0002）<uvtw>织构。TC21钛合金筒形旋压应以旋压温度860℃、进给速度1mm/s、主轴转速4r/s及减薄率20%、坯料初始厚度选择大于10mm为宜。