钛合金大型薄壁筒形件热强旋微观组织与损伤演化协同调控研究

The hot power spinning is an important way to form the titanium alloy large-scale thin-walled tubes in aerospace industry. However, the severe uneven deformation makes the microstructure evolution very complex and prone to produce damage and fracture defect during forming process, which limits the forming quality and formability. To this end, it is proposed to develop a new method for the coordinated control of microstructure and damage evolutions during the hot tube spinning of titanium alloy in this project. Combining experimental investigation, theoretical analysis and numerical simulation, the physical mechanism-based microstructure prediction model will be established for the hot tube spinning of titanium alloy with complex thermal-mechanical processing history. The combined influencing mechanisms of microstructure evolution and deformation state on the damage behavior of titanium alloy during hot deformation will be revealed, moreover, based on which the corresponding ductile fracture criteria will be developed. Then, a through-process FE model integrating the microstructure and damage evolutions will be built for the multi-pass hot tube spinning of titanium alloy. On this basis, the coordinated control method for microstructure and damage evolutions will be developed. This research is critical to developing the theory and technique of hot tube spinning, and will provide basis for the manufacturing of titanium alloy large-scale thin-walled tube components.

热强旋技术是成形航空航天等高端装备用钛合金大型薄壁筒形件的重要途径，而该成形过程中的强烈不均匀变形使得工件组织演化复杂且易产生损伤断裂缺陷，成为影响和制约高性能极端成形制造的瓶颈问题。为此，本项目提出了发展钛合金热强旋微观组织与损伤演化协同调控技术的思路与方案，拟采用实验研究、理论分析和计算机模拟仿真结合的方法，研究建立基于物理机制的钛合金热强旋复杂变形历史下微观组织演化预测模型；探明组织演化与变形状态对钛合金热变形损伤行为的作用规律并建立考虑二者综合作用的韧性断裂准则；开发耦合组织演化与损伤断裂预测的热强旋全过程有限元仿真模型；据此发展钛合金大型薄壁筒形件热强旋组织演化与损伤断裂协同调控方法。本研究对发展热强旋成形理论和先进技术具有重要意义，并可为提升航空航天等领域钛合金大型薄壁筒形件高性能成形制造水平提供依据。

热强旋技术是成形航空航天等高端装备用钛合金大型薄壁筒形件的重要途径，如何调控钛合金热强旋成形中复杂的微观组织演化与损伤断裂缺陷，是提高构件成形极限减薄率与力学性能的关键。然而，钛合金热强旋复杂热变形历史下微观组织演化机制与规律复杂，同时损伤断裂行为又对组织演化与变形状态具有很强的敏感性，使得钛合金大型薄壁筒形件热强旋微观组织与损伤演化协同调控面临极大挑战。为此，本项目采用实验研究、理论分析和计算机模拟仿真结合的方法，研究揭示了钛合金筒形件热强旋微观组织演化行为，建立了基于物理机制的钛合金热变形微观组织演化模型；探明了复杂组织演化与变形状态作用下钛合金热变形损伤断裂行为，建立了耦合组织演化与损伤断裂的钛合金热变形本构；在此基础上，开发了耦合微观组织与损伤演化的钛合金筒形件热强旋有限元仿真模型，实现了宏观变形、微观组织与损伤断裂的统一预测；发展了钛合金筒形件热强旋微观组织与损伤演化协同调控方法，旋制了钛合金超薄筒形件；还分析探明了热强旋钛合金筒形件织构演化与力学性能各向异性规律。研究结果对提升航空航天等领域钛合金大型薄壁筒形件高性能极端成形制造水平具有重要意义。.本项目研究成果在机械制造领域顶刊International Journal of Machine Tools and Manufacture、Journal of Materials Processing Technology等期刊发表学术论文24篇，其中SCI论文23篇，ESI高被引论文3篇，国内材料领域顶刊Journal of Materials Science & Technology优秀论文1篇；申请与授权发明专利6项，授权软件著作权1项；撰写Elsevier出版社英文书章2章；项目负责人获陕西省自然科学一等奖（排名第3）、航天科技集团科技进步一等奖（排名第3）。