Forskning i plastisk dannelse af titanlegering

I de senere år er titanlegeringer blevet brugt i vid udstrækning på grund af deres lave densitet, høje styrke, gode korrosionsbestandighed og gode ydeevne ved lav temperatur. På grund af dens ringe kolde plasticitet, høje modstandsdygtighed og vanskeligheder ved forarbejdning er den nuværende titanlegeringsteknologi for det meste varmpresseformning. Da titanlegeringer ved høje temperaturer er tilbøjelige til oxidation, slid og andre problemer, er tilsvarende foranstaltninger også nødvendige. Højtemperaturbestandige forme og varmeudstyr kræver også flere driftsomkostninger. Derfor er undersøgelse af udviklingsstatus og fremtidige udviklingstendenser for nøgleteknologier til plastisk formning af titanlegeringer af stor betydning for at forbedre anvendelsesniveauet for titanlegeringer.

⑴Isotermisk formningsteknologi

Den isotermiske formningsproces kan effektivt forbedre pladens plasticitet og strømningsegenskaber, forbedre ensartetheden af ​​metalstrømmen og reducere deformationstrykket. Nogle mennesker har foreslået at bruge isotermisk formningsteknologi (en formningsmetode, hvor emnet og formen opvarmes til deformationstemperaturen, og temperaturen på emnet og formen forbliver stort set uændret under formningsprocessen) til fremstilling af metalpladedele med titanium strukturer. Deformationstemperaturen af ​​titanlegeringer Det er meget følsomt. For eksempel, når deformationstemperaturen falder fra 920 grader til 820 grader, fordobles deformationsmodstanden af ​​titanlegering næsten, og dens superplastiske deformationskraft er kun omkring 1/30 til 1/10 af almindelig valsning. Blandt dem er isotermisk dannelse og superplastisk dannelse forskellige, men effekten af ​​isoterm dannelse på at reducere materialets deformationsmodstand og forbedre materialets plasticitet er ikke så signifikant som den ved superplastisk dannelse. Den største fordel ved superplastisk trykbehandling er, at materialet kan opnå ekstrem deformation. Mange processer kræver dog ikke 100% til 200% deformation. Normalt er metalsmedningsforholdet 5, hvilket betyder, at deformationen når 75%. For at sikre høj ydeevne af dele kræves det ikke altid, at det er optimalt. Desuden har den grove lamellære mikrostruktur bedre stabilitet mod udmattelsesrevneudvidelse. Selvom isotermisk formningsteknologi kan forbedre materialernes ustabilitet betydeligt, er det en integreret formningsteknologi i ét trin, og det er svært at garantere, at et godt produkt ikke vil have nogen lokale defekter, såsom at danne lokale defekter osv. Når et produkt er dannet i et lokalområde Hvis der konstateres fejl, kan fejlproblemet ikke løses senere, hvilket vil påvirke kvaliteten af ​​hele titanlegeringsproduktet. Dette problem er også blevet et af de problemer, der skal overvindes i den fremtidige teknologiske udvikling.

⑵ Krybeformningsteknologi

Krybedeformation betyder, at ved en bestemt temperatur, efter at metalpladen er deformeret under påvirkning af værktøjet og formen for at opnå den ideelle form, forbliver temperaturen og belastningen uændret, så der opstår spændingsafslapning inde i emnet, og den elastiske belastning ændres til permanent plastisk belastning, indtil den resterende spænding Og tilbagespring stort set er elimineret, og den ideelle emneform opnås efter endelig afkøling. Under krybedeformationsprocessen påføres krybedrivkraften stress. Efterhånden som krybningen skrider frem, aftager den elastiske belastning, hvilket resulterer i et fald i indre spænding og et tilsvarende fald i påført spænding. Nogle forskere påpegede, at den varme træk-krybeproces er en ny type tyndvægget titanlegeringskompositformningsproces. Denne proces bruger opvarmningsmetoder såsom modstandsopvarmning til at opvarme tyndvæggede metalplader eller profiler til varmformningstemperaturen og derefter strække og bøje dem. Efterhånden som den endelige form dannes, forbliver temperaturen konstant, og materialet kryber i trækretningen mod formoverfladen. Dette fører til en reduktion af stress i det dannede emne og online stressafspænding. Restspændingen reduceres, hvorved tilbagefjedringen af ​​delene reduceres og formningsnøjagtigheden forbedres. Forskningsstatus, procesprincipper, nøgleudstyr, procesteknologi og fordele og ulemper ved ny procesteknologi introduceres. Endelig undersøges anvendelsesmulighederne for varmtræk-kryb-kompositformningsteknologi. Nogle forskere påpegede, at titanlegeringer ofte bruges i rumfartsapplikationer, såsom transport af flyskrog, på grund af deres fremragende mekaniske og korrosionsegenskaber og relativt lette vægt. Imidlertid er titanlegeringer notorisk vanskelige at danne ved stuetemperatur. Derfor bruges hot draw-bøjningskrybningsprocessen i titanlegeringsprofilformning for at forbedre formbarheden og reducere tilbagespring. Princippet for varm strækbøjning og krybning er at udføre en spændingsafspændingsfase ved at holde emnet med formen på et valgt opholdstidspunkt efter den varme strækbøjningsfase. Dette giver mulighed for fordelene ved lav restspænding og minimal tilbagespring, inklusive billig værktøj og god repeterbarhed. Arrhenius-modellen blev brugt til at karakterisere krybeadfærden, og en finite element-model af den varme trækbøjnings-krybningsdeformationsproces blev etableret i ABAQUS. Finite element simuleringsresultater viser, at den resterende spænding reduceres kraftigt under spændingsafslapningsstadiet, og lav restspænding resulterer i mindre tilbagespring. De forudsagte tilbagespringsværdier er i god overensstemmelse med forsøgsresultaterne. Nogle forskere påpegede, at krybning eller stressafslapning er den vigtigste mekanisme til at reducere det varmedannende tilbagespring af titanlegeringsplader. Indtil videre er forskellene og sammenhængene mellem disse to fænomener ikke blevet klart undersøgt. Det udførte højtemperatur kortsigtede krybe- og stressafspændingstest på Ti6Al4V-legering. Legeringens mikrostruktur blev observeret ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop. Effekterne af temperatur, stress og tid på krybning og stressafspændingsadfærd blev undersøgt hhv. Korrelationerne og forskellene mellem de to fænomener blev sammenlignet baseret på forholdet mellem krybning og belastningstid. Resultaterne viser, at atomisk diffusion under lav temperatur og lav belastning styrer krybeadfærden, og dislokationsglidning og stigning under høj temperatur og høj belastning styrer krybeadfærden. Stressafspændingsadfærden styres hovedsageligt af dislokationskryb. Den stressafspændingsadfærd, der er forudsagt ud fra krybedataene, stemmer godt overens med de eksperimentelle resultater.

⑶ Tilbageslagskontrol og præoptimeret præcisions-plaststøbningsteknologi

① Styring af tilbagespring gennem forskellige standarder

Fordi titanlegeringsmaterialer har stor deformationsmodstand, lavt elasticitetsmodul og stærk anisotropi, er styring af tilbagespring af stor betydning i titanium plastbehandling. Det påvirker i høj grad produktets størrelse og formfejl. Indtil videre har vi gjort en stor indsats for at minimere formningsfejl forårsaget af tilbagespring. Finite element simulering kombineret med optimeringsteknikker er den mest anvendte metode. En optimeret metode er blevet udviklet til at reducere tilbagespring under koldstrækningsdannelse af TC1 flybelægninger. I optimeringsmodellen etableres en matematisk formel for spændingsforskel beregnet ved finite element som en indikator for rebound-styrke i stedet for implicit rebound-analyse, og der anvendes en multi-øs genetisk algoritme (for genetiske algoritmer er den objektive funktion en multi -ekstrem værdi funktion, find det lokale optimale punkt ved hypotese,) for at finde de optimale belastningsparametre. Det optimerede design af procesparametre reducerer effektivt mængden af ​​tilbagespring og forbedrer formningsnøjagtigheden. Forskningsresultaterne giver vejledning til tilbagespringskontrol og teknologi i pladeformningsprocessen. Nogen foreslog en finite element-model baseret på den selvudviklede TA18-legering (Ti-3AI-2.5V) numerisk kontrol (NC) roterende rørbøjning. Gennem multivariat trin-for-trin analyse blev der etableret en kvantitativ sammenhæng mellem bøjningsvinklen, materialeegenskaber og tilbagespringsvinkel. . Nogle forskere brugte Hills anisotropikriterium til at forudsige den elastiske kraft af kommercielle rene titanium (CP-Ti) dele under bøjning og formningsprocessen. Nogle forskere mener, at tilbagespringet af TC4-bøjningsstænger afhænger af størrelsen af ​​den mellemliggende materialezone, der forbliver i den elastiske tilstand, som internt afhænger af bearbejdning og geometriske parametre såsom bøjningsradius, bøjningsvinkel og diameter/tykkelse af bøjningselementet . Nogle forskere bruger statistiske metoder til at beregne forholdet mellem tilbagespringsvinkel og formningsparametre under hydroformningsprocessen, hvilket giver en effektiv metode til værktøjsdesignere og teknikere til at forkorte produktionstiden. Nogle forskere har undersøgt effekten af ​​temperatur på tilbagespringskompensation af CP-Ti-plader. Resultaterne viser, at efterhånden som temperaturen falder, falder modstandskraften markant.

② Præfabrikerede dele og støbeformoptimeringsmetoder

Præfabrikerede dele og formoptimering kan i høj grad reducere kropsformningsfejl, hvilket er af stor betydning for næsten-pladeformning. Omvendt simuleringsteknologi er meget udbredt i interventionsstøbningsdesign. Nogle forskere har foreslået en trinvis omvendt optimeringsmetode for at optimere den indledende billet af TA15-legering. Undersøgelsen viste, at valget af den korrektionsflade, der bruges til at bestemme optimeringsobjektet, er grundlaget for optimering, og isometrisk offset bestemmer optimeringens nøjagtighed og pålidelighed.

⑷ Defekt kontrolteknik

Titanlegeringer er tilbøjelige til at gå i stykker under koldformning, såsom TA18 titanlegering rotationsbøjning, TCI titanlegering ren titanium stretch formning, single point incremental formning osv. I single-point incremental formning (SPIF) processen af ​​CP-Ti plader, Forskningsresultater viser, at tykkelsen af ​​det plastisk formede emne af titanlegeringsplader falder med stigende dybde, hvilket undgår brud og overdreven strækning under formningsprocessen. Kraften efter forlængelse vil føre til risiko for brud forårsaget af kold strækning af TCI titanlegering. Optimering af kraften før og efter udstrækning kan undgå brud. Hastighedsbølgeformen af ​​den cykliske superplasticitetstest af deformationshastighed af Ti-15-3 viser, at brud kan forekomme, hvor deformationen er ujævn. Brud kan undgås ved at bruge en reduktionsrate på 30 % til 40 % for første gang.

⑸Varmspinningsteknologi

Spinddannelse refererer til den roterende fremføringsbevægelse af et eller flere roterende hjul, der virker på den oprindelige flade plade, hvorved pladematerialet og den roterende dorn gradvist passer sammen og til sidst opnår en hul roterende kropsdel ​​med en relativt tynd vægtykkelse. Formningsprocessen. Fordi hjulet er delvist belastet under spinningsprocessen, reduceres belastningen betydeligt sammenlignet med traditionel pladestempling. Spinding er en fleksibel pladeformningsmetode, der er velegnet til fremstilling af færdigformede dele af komplekse roterende dele, eller næsten færdige dele, såsom tilspidsede dele, simple dele osv. Til lette legeringer, der er svære at forme ved stuetemperatur, f.eks. som titanlegeringer, magnesiumlegeringer osv., skal spinding udføres under visse temperaturforhold, hvilket kaldes varmspinding. For ved samme temperatur har forskellige materialer eller det samme materiale ved forskellige temperaturer også betydelige forskelle i deres mekaniske egenskaber. Derfor er temperaturstyring meget kritisk ved varmspinding.

⑴ Mekanismer og regler i krystalstrukturudvikling

Krystalstrukturen af ​​titanlegeringer er dannet på grund af kontinuerlig dislokationsglidning eller rotationen af ​​kornorientering af tvillinger under deformation. Udviklingen af ​​deformationsstrukturen er meget følsom over for belastning, temperatur og deformationstilstand, hvilket påvirker den efterfølgende mikrostrukturelle udvikling og tilsvarende mekaniske egenskaber af titanlegeringer, såsom styrke, udmattelseslevetid og korrosionsbestandighed. Den deformerede struktur dannes normalt under koldformning og påvirkes af legeringssammensætning, indledende struktur og forarbejdningsparametre. Nogle forskere har studeret udviklingen af ​​den skarpe lokale struktur af IMI834-legering og fundet ud af, at denne struktur i høj grad kan reducere træthedslevetiden. Nogle forskere udførte en række kompressionstests for at studere deformationsstrukturudviklingen af ​​CP-Ti ved høje temperaturer. De fandt ud af, at både finkornede og grovkornede basalplaner i de deformerede prøver havde tendens til at rotere fra deres oprindelige orientering til en hældningsvinkel på 45 grader. Nogle forskere har undersøgt virkningerne af enkelt ældning, lav temperatur, høj temperatur dobbelt ældning, ældningsopvarmningshastighed og andre processer på teksturudviklingen af ​​Ti-10V-2Fe-3Al efter termisk deformation. De observerede, at den indledende fasestruktur udvikler sig ved små spændinger, mens a-strukturen kan opnås ved store deformationer. Derudover kan strukturer dannes ved omkrystallisation, som er kendt som omkrystalliserede strukturer. Nogle forskere har fundet ud af, at ændringer i teksturudviklingen af ​​CP-Ti under omkrystallisationsprocessen er forårsaget af sekundær omkrystallisation. Nogle forskere har studeret udviklingen af ​​den omkrystalliserede struktur af Ti-35Nb-7Zr-5Ta-legering under varmvalsning. Når tykkelsen faldt til mere end 90%, observerede de gradientstrukturer. De mener, at dynamisk omkrystallisation forårsaget af alvorlig uensartet deformation mellem overfladen og midten resulterer i denne type struktur.

⑵ Mekanismer og regler i morfologisk evolution

Mikrostrukturel morfologi er følsom over for behandlingsparametre såsom temperatur, belastning, belastningshastighed, belastningsvej og varmebehandlingsrute. Deres kombination er en typisk morfologi, der påvirker de mekaniske egenskaber af titanlegeringer. Volumenfraktionen, partikelstørrelsen og billedformatet bestemmer direkte den mikrostrukturelle morfologi af titanlegeringer. Den transformerede fase har gode omfattende egenskaber og er meget udbredt inden for rumfart, kemisk forarbejdning, marine og maritime, transport og medicin. Desuden har mikrostrukturen bedre varighed og styrke end den ligeaksede mikrostruktur, men dens træthedsegenskaber er ringere. På grund af fasens store kornstørrelse fører integrationen af ​​grænsefladen, brudsejhed, varighed og krybestyrke osv. til forlængelse i bøjningsretningen og spreder spændingsfeltet rundt om bruddet. På grund af den manglende indeslutning af a-fasen opstår der dog let kornforgrovning, hvilket kan føre til ulemper i trækegenskaberne. For nylig har nogle forskere opnået en ny tre-mode mikrostruktur, herunder omkring 15%, 50% til 60% lamel- og transformationsmatrix, der viser høj og lav cyklus træthedsydelse, høj krybetræthedsinteraktionslevetid, høj brudsejhed og omtrentlig smedningsproces for høje driftstemperaturer. Nogle forskere har studeret indflydelsen af ​​stammefordeling på mikrostrukturmorfologi under dannelsen af ​​nær-lokale belastninger. De fandt ud af, at den mikrostrukturelle morfologi af TA15 titanlegering ændres med graden af ​​deformation og forarbejdningstrin. Transformerede partikler med primære og lamellære faser produceres ved små deformationer under forarbejdning. Og den samlede transformationsmatrix med uordnet lamelfase genereres af den første store deformation. I det andet trin blev den mikrostrukturelle morfologi af den transformerede matrix og den komplette kugle produceret gennem henholdsvis moderate og store deformationer.

⑶ Udvikling af modelleringsmetoder

Den interne tilstandsvariabelmetode bruger et lille antal interne tilstandsvariabler til at beskrive dets underliggende fænomener og er blevet brugt i vid udstrækning til at simulere den mikrostrukturelle udvikling af titanlegeringer under termisk behandling. Nogle forskere har foreslået en fysik-baseret konstitutiv model til at forudsige strømningsspændingen og partikelstørrelsesændringerne af tofasede titanlegeringer. I modellen er det antaget, at den samlede spænding består af termisk aktiveret spænding og ikke-termisk spænding, hvor den termisk aktiverede spænding er beskrevet af Kock-Mecking modellen. Ikke-termiske spændinger relateret til hærdningseffekter er repræsenteret af to-parameter interne tilstandsvariable, herunder dislokationsdensitetshastighed og kornstørrelseshastighed. Blandingsreglen og superpositionsteorien bruges til at karakterisere effekten af ​​fase a og tårnfasestrømningsspænding. Forudsigelserne af denne model er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultater af titanlegeringer. Nogle forskere har også foreslået en lignende model for den tofasede TA6-legering. Nogle forskere har foreslået en model baseret på udviklingen af ​​to interne tilstandsvariabler, dislokationstæthed og omkrystallisationsfraktion, for at forudsige ændringerne i kornstørrelsen af ​​den mellemliggende krystalfase under den termiske behandling af TA15-legering.

Krystalplasticitetsmodeller kan afspejle fysiske mekanismer såsom mikroskopisk glidning og twinning, inhomogen deformation i mikroskala, mikrostrukturmodstandsdeformation og orienteringsudvikling, og er således blevet udviklet i dybden og brugt i vid udstrækning. I denne teori blev hastighedsuafhængig krystalplasticitet (RICP) og hastighedsafhængig krystalplasticitet (RDCP) henholdsvis foreslået og udviklet. Hovedproblemerne ved RICP-numerisering er det aktive slip-systems ikke-unikhed og bestemmelsen af ​​den tidsuafhængige forskydningshastighed under den plastiske deformation af enkeltkrystaller. Nogle forskere har indført et semi-implicit integrationsskema til at identificere aktive slipsystemer, før de bestemmer deres forskydningshastigheder og kvantificerer rækkefølgen, hvori et slipsystem bliver aktivt. I RDCP-modellen overvindes problemerne forårsaget af RICP-modellen ved at antage, at alle slipsystemer er aktive. På grund af højordens ikke-lineære strømningslove opstår der imidlertid alvorlig numerisk ustabilitet i integralet af RDCP-modellen. Den implicitte algoritme til løsning af RDCP-modellen har god stabilitet i løsningen. Imidlertid involverer disse ordninger iteration på lokalt niveau for at opdatere stress, og at udføre balancering globalt kræver en betydelig beregningsindsats. Derfor kan det næppe anvendes til at simulere den tredimensionelle dannelsesproces af tusindvis af elementer. Derfor foreslås en eksplicit algoritme for at forbedre beregningseffektiviteten. Deres arbejde viste sig effektivt, men kræver yderligere forbedringer til anvendelse på store deformationer og komplekse belastningsforhold. Når man anvender denne teori på titanlegeringer, er der et andet problem, der skal behandles. På grund af den sekskantede tættestpakkede struktur af titanlegeringer, er glidning den vigtigste deformationstilstand af og faser, mens twinning er en valgfri tilstand af en fase. Der er flere metoder til at håndtere det store antal nye orienteringer, der genereres af deforme tvillinger, såsom den primære dobbelte orienteringsmetode (PTR), volumenfraktionsoverførselsmetoden (VFT) og fuldmaskemetoden. Nogle forskere og andre har gennemgået modelleringsmetoder, problembehandlingsmetoder og andre applikationer.

CA-algoritmen er blevet brugt i vid udstrækning til modellering af fænomener med udvikling af mikrostrukturer. Nogle forskere henviser til cellulære automater (C）ellular automata (CA) model og DRX printmodellen blev kombineret for at simulere den mikrostrukturelle udvikling af TC4 legering i positivt felt og felt. De introducerede ændringer i dislokationstæthed beregnet af KM modellen som heltalstilstande at relatere mesoskopiske strukturelle træk til faktiske forarbejdningsforhold I CA-modellen er der taget højde for vigtige fænomener som nukleationshastighed, vækstkinetik og virkningerne af forarbejdningsparametre, samt initial kornstørrelse, hvilket muliggør kvantitative og topografiske simuleringer af vækstkinetikken og topologien for hvert korn i mikrostrukturudviklingen. De forudsagte resultater af strømningsspændingskurveformen, r-korns vækstadfærd og endelig mikrostrukturel morfologi ligner meget de eksperimentelle resultater. Nogle forskere har simuleret den statiske omkrystallisation af ren titanium under afkølingsprocessen gennem CA-metoden.De fandt ud af, at faktorer som uensartet deformation, uensartet kernedannelse osv. kan føre til afvigelser i omkrystallisationskinetikken fra eksperimentelle observationer. For at introducere den ikke-ensartede deformationsgradient af hvert korn i mikroskalaen, koblede nogle forskere CA-modellen med krystalplasticitets finite element-metoden (CPFEM) for at simulere udviklingen af ​​mikrostrukturen.

Titaniumlegering har fordelene ved lav densitet, høj styrke, god korrosionsbestandighed, høj varmebestandighed og god procesydeevne. Det har dog dårlig kemisk reaktivitet med andre materialer ved høje temperaturer og er meget let at absorbere urenheder som brint og oxygen. Denne egenskab tvinger titanlegeringer til at være anderledes end de traditionelle raffinerings-, smelte- og støbeteknikker, hvilket ofte endda forårsager skade på formen. Hvis avanceret titaniumlegering plastformningsteknologi anvendes, kan det effektivt reducere materialets formningskraft, reducere friktionen mellem formen og materialet og derved forbedre overfladekvaliteten og dimensionsnøjagtigheden af ​​delene, hvilket øger materialets formningsgrænse. og forbedring af materialets formningsydelse. Osv. Med yderligere forskning i plastformningsprocessen af ​​titanlegeringer, ved at løse problemerne med plastisk formning af titanlegeringer og forbedre procesydelsen af ​​titanlegeringer, vil plastformningsteknologien af ​​titanlegeringer blive mere moden, og titanlegeringer vil have et bredere udviklings- og applikationsrum. . I de senere år er titanlegeringer blevet brugt i vid udstrækning på grund af deres lave densitet, høje styrke, gode korrosionsbestandighed og gode ydeevne ved lav temperatur. På grund af dens ringe kolde plasticitet, høje modstandsdygtighed og vanskeligheder ved forarbejdning er den nuværende titanlegeringsteknologi for det meste varmpresseformning. Da titanlegeringer ved høje temperaturer er tilbøjelige til oxidation, slid og andre problemer, er tilsvarende foranstaltninger også nødvendige. Højtemperaturbestandige forme og varmeudstyr kræver også flere driftsomkostninger. Derfor er undersøgelse af udviklingsstatus og fremtidige udviklingstendenser for nøgleteknologier til plastisk formning af titanlegeringer af stor betydning for at forbedre anvendelsesniveauet for titanlegeringer.