基于最大m值法的钛合金等温超塑成形机制研究

以三种典型钛合金为研究对象，系统开展基于最大m值法的超塑变形机理与控制技术的研究。在超塑变形过程中，按照应变速率敏感性指数m值最大的原则控制变形速度，使应变速率始终围绕最大m值所对应的最佳值循环变化，从而获得优良的材料超塑性能。针对该方法存在变形速度较慢的问题，提出了高效超塑成形的新思路与研究方案，即在超塑性高速区域设定一个最小m值，在最大m值和该最小m值之间循环控制超塑变形速率，从而在保证足够高的超塑性能的前提下，显著加快变形速度，提高成形效率。同时创新地采用应变速率循环法建立超塑性力学本构关系，以减少试验次数和时间。在以上研究基础上，采用数值模拟和物理模拟相结合的手段，探索该技术在钛合金等温超塑成形工程应用中的实现条件及控制方法，并尝试建立超塑性锻造时的塑性评价指标体系。该项目的完成将开拓钛合金等温超塑成形技术的新途径，为工业应用奠定基础。

本研究项目的结果包括四方面内容:(1) 钛合金最大m值超塑变形的系统研究； (2) 最大m值高效超塑性成形机制； (3) 构建钛合金超塑性力学本构关系的方法； (4) 超塑性延伸率与锻造塑性评价机制的对应关系。. 在第一方面， 选择了多种典型的钛合金（TA15、TC11、TC4、TC4-DT、TC6、TB6和Ti3Al等），系统地研究了最大m值超塑变形机制。进行了多系列最大m值超塑拉伸实验，获取超塑性特征参数，确定最佳变形温度和最大延伸率。实验结果表明：在900℃，TC11和TC6钛合金分别获得了2300%和2000%的最大延伸率，Ti3Al钛合金在1000℃下获得了2507%的最大延伸率。与常规的恒应变速率超塑变形相比较，最大m值超塑变形能够充分挖掘钛合金的超塑性能，获得异常高的延伸率。. 在第二方面，首先研究了基于m值的高效超塑变形。在900℃，TC6钛合金基于m值高效法获得了优良的超塑性，最大延伸率达到1696%。与最大m值法相比， 虽然塑性有所下降，但成形效率提高了13倍。其次研究了变形诱发最大m值超塑性的“两步变形法”。在900℃，采用这种方法TC6钛合金获得了延伸率为2053%的异常高的超塑性，而且变形效率大大提高。而在传统的恒应变速率超塑拉伸试验中获得的最大延伸率只有754%。. 在第三方面，研究开发了通过应变速率循环拉伸试验构建钛合金超塑性力学本构方程的方法。分别构建了TC11钛合金基于回归分析的超塑性力学本构方程，以及TC4-DT钛合金基于Arrhenius模型的超塑性力学本构方程。研究结果表明，这是一种全新的方法，具有快速高效而且精度高等优点。. 在第四方面，通过热模拟试验和数值分析方法，研究了超塑性延伸率δ与锻造镦挤率λ的关系，建立了TC4超塑性等温锻造的塑性评价指标：镦挤率λ与D、d、H和h这几个几何参数的函数关系式。 同时开展了应变速率敏感指标m值与延伸率δ之间关系的研究工作，建立了TC4-DT和TB6两种钛合金的m 值与延伸率δ 关系曲线和函数表达式。. 总而言之，本项目的研究工作取得了一系列重要成果，构建了比较完整的钛合金最大m值超塑成形的理论体系与实验方法，为该项新技术的工程应用奠定了坚实的基础。