镍钛基形状记忆合金管接头等温精密塑性成形机理及相关性能研究

NiTi-based shape memory alloy (NiTi SMA) pipe coupling is a primary candidate for connecting the pipe line of hydraulic pressure system in airplane since it is characterized by convenient fixing,high reliability, zero leakage and light weight, and it is particularly suitable for connecting the dissimilar pipes.In the present study, as a new method, isothermal precision extrusion is used to accurately manufacture NiTi SMA pipe coupling in order to meet the imperative requirement of domestic manufacturing of airplane.The accurate control of microscopic structure of NiTi SMA during isothermal precision extrusion plays a significant role in obtaining the desired NiTi SMA pipe coupling,and the corresponding scientific investigations have never been reported in the literatrues.By combining finite element method,artificial neuron network and cellular automaton simulation,it shall be able to lay the scientific and theoretical foundations for manufacturing NiTi SMA pipe coupling with high quality to investigate the mechanism of isothermal precision extrusion of NiTi SMA pipe coupling,reveal the evolution of micoscopic structures of NiTi SMA pipe coupling under isotermal precision extrusion,establish the correlation model between microscopic structure and shape memory effect of NiTi SMA pipe coupling and obtain the performance evaluation standard as well as the production process route of NiTi SMA pipe coupling.

镍钛基形状记忆合金管接头是飞机液压系统管路连接的首选对象，因为它安装方便、可靠性高、无泄漏、重量轻，尤其适合异种管材的连接。本项目针对某飞机镍钛基形状记忆合金管接头国产化的迫切需求，提出了采用等温精密挤压成形实现镍钛基形状记忆合金管接头精确制造的新方法。然而，等温精密挤压成形过程中微观结构的精确控制是获得合格镍钛基形状记忆合金管接头的关键，目前未见文献资料报道相关科学理论研究成果。本项目结合有限元、人工神经元网络和元胞自动机等模拟技术，研究镍钛基形状记忆合金管接头等温精密挤压成形的基本机理，揭示镍钛基形状记忆合金管接头等温精密挤压成形微观结构演变的基本规律，建立镍钛基形状记忆合金管接头微观结构与形状记忆效应的相关性模型，获得高质量镍钛基形状记忆合金管接头的性能评价指标及制造工艺路线，为实现高质量镍钛基形状记忆合金管接头的制造提供科学的理论基础。

本项目首次将等温精密挤压成形方法用于镍钛基形状记忆合金管接头的精确制造。在传统近等原子比镍钛形状记忆合金基础上，设计了几种成分的镍钛铁形状记忆合金来研究化学成分对镍钛形状记忆合金相变行为、微观结构和力学性能的影响，为形状记忆合金管接头的选材和加工工艺的制定提供了必要的理论基础。通过等温压缩实验研究了二元镍钛形状记忆合金和三元镍钛铁形状记忆合金的热变形行为，并构建了其高温变形本构方程和热加工图。另外，采用有限元模拟与元胞自动机模拟相结合的方法配合实验研究了二元镍钛形状记忆合金在高温塑性变形时的动态再结晶行为。这些研究为镍钛基形状记忆合金热加工参数的确定提供了重要的理论基础。采用刚粘塑性有限元法，应用构建的二元镍钛形状记忆合金合金和三元镍钛铁形状记忆合金本构方程对镍钛基形状合金管接头的等温精密挤压成形进行了模拟研究，获得了成形时的金属流动规律，并揭示了成形工艺参数对管接头应力场、应变场和速度场分布的影响规律。管接头成形模拟研究为管接头等温挤压成形工装的设计和工艺方案的制定提供了必要的理论依据。将有限元法与元胞自动机法相耦合，对镍钛形状形状记忆合金管接头等温精密挤压成形时的典型部位的动态再结晶组织演化过程进行了多尺度模拟。通过多尺度耦合模拟可以预测管接头成形后各部位的组织情况，对管接头等温精密挤压成形工艺方案的制定和挤压成形工装的设计具有重要的指导意义。镍钛基形状记忆合金初始组织对等温精密成形后的组织会有很大的影响，为了获得性能更加优良的管接头，通过室温下大塑性变形后再对镍钛基形状合金进行退火处理来获得晶粒更加均匀细小的静态再结晶组织，并采用实验方法及有限元与元胞自动机相耦合的模拟方法研究了静态再结晶组织的演变过程和力学性能。静态再结晶研究为NiTi基形状记忆合金管接头的组织细化和力学性能改进提供了必要的理论依据。本项目以金属镍为研究对象，还对其塑性变形分子动力学模拟进行了探索性研究。