钛合金热变形中片状/等轴组织转化的理论模型及演变规律研究

Based on inherent correlation between hot deformation conditions and microstructure transformation, understanding and mastering lamellar/equiaxed microstructure evolution of titanium alloy during hot deformation is important for quantitatively controlling the transformation of lamellar microstructure, acquiring lamellar/equiaxed dual microstructure, and achieving dual-property of titanium alloy disk. Synthetically considering the influence of dynamic recrystallization and phase interface migration on spheroidization behavior of lamellar microstructure during hot deformation of titanium alloy, theoretical models of spheroidization of lamellar microstructure will be established to grasp the inherent correlation between hot deformation conditions and microstructure transformation. Based on this inherent correlation, the cellular automata method will be used to numerically simulate the transformation of lamellar microstructure to equiaxed microstructure induced by spheroidization during hot deformation of Ti60 high-temperature titanium alloy. The action mechanism of hot deformation on spheroidization behavior of lamellar microstructure will be clarified and the kinetic characteristics of spheroidization of lamellar microstructure during hot deformation will be apprehended. The evolution of lamellar/equiaxed microstructure at different deformation conditions will be revealed to predict the optimal hot deformation condition of transformation of lamellar/equiaxed microstructure and prepare lamellar/equiaxed dual microstructure. These works will solve the quantitative control problem of transformation of lamellar/equiaxed microstructure during hot forming of dual-property titanium disk, provide theoretical support for fabricating dual-property titanium disk and develop the theory of plastic deformation containing microstructure evolution.

从热变形条件与微观组织演变的内在关联上认识和掌握钛合金热变形中片状/等轴组织演变规律对于量化控制片状组织转变、获取片状/等轴双重组织形态、进而实现钛合金盘件双重使用性能具有重要意义。本项目拟综合考虑动态再结晶与相界面迁移对钛合金热变形中片状组织球化行为的影响，构建出片状组织球化的理论模型，掌握热变形条件与微观组织演变的内在关联，以此基础上采用元胞自动机方法对Ti60高温钛合金热变形中片状组织球化、转变为等轴组织的过程进行数值模拟研究，从中阐明热变形条件影响片状组织球化行为的作用机制，明晰片状组织热变形球化动力学特性，揭示不同热变形条件下片状/等轴组织演变规律，预测钛合金片状组织转变为等轴组织的最优热变形条件、制备出片状/等轴双重组织形态，进而解决钛合金双性能盘热成形中片状/等轴组织转变的量化控制难题，为钛合金双性能轮盘制造技术提供理论支持，进一步发展可反映微观组织形貌演变的塑性变形理论。

准确控制发动机盘件盘芯和盘缘部位的特定双重组织形态是满足盘件双重使用性能、提高盘件使用温度、延长盘件使用寿命的重要研发方向。然而由于具有片状组织钛合金在相变点温度以下(α+β)两相区热变形转变为等轴组织的过程非常复杂，造成钛合金双性能盘热成形中片状/等轴组织转变的量化控制难度较大。因此认识和掌握钛合金变形过程中片状组织球化、转变为等轴组织的演变规律是避免各种缺陷组织产生、量化控制盘缘/盘芯双重组织形态，获得先进发动机轮盘双重使用性能的前提。本项目拟综合考虑热变形条件及初始组织形貌对钛合金热变形中片状组织球化行为的影响，采用试验与CA法数值模拟相结合，掌握热变形条件与微观组织演变的内在关联，揭示不同热变形条件下钛合金片状/等轴组织的演变规律，进而实现片状组织转变的量化控制。项目取得的主要成果为：(1)构建了钛合金微观组织转变的CA法计算模型，实现了Ti60合金晶粒长大、片层α相析出及再结晶细化过程的数值模拟计算及试验验证。(2)掌握了不同起始组织形貌和晶粒大小对Ti60高温钛合金的本构关系、变形特性及微观组织再结晶细化的影响规律，实现了CA法模拟片状组织转变为等轴组织的动态演变。(3)获得了Ti60合金双态组织和片状组织细化程度随变形条件的变化规律，建立了双态组织α相细化和片状组织α相球化程度随变形参数的量化关系。(4)采用CA法与合金片状/等轴组织转变量化规律相结合的方法，验证了Ti60合金同一坯体获得不同部位片状/等轴双重组织形态的可行性。本项目研究为解决钛合金双性能盘热成形中片状/等轴组织转变的量化控制难题奠定了基础，为钛合金双性能轮盘制造技术提供理论支持，进一步发展可反映微观组织形貌演变的塑性变形理论。