钛合金锻造成形时的微观组织敏感性模型与调控研究

The microstructure of titanium alloys is sensitive to the processing parameters during the forging process. And the microstructure morphology of titanium alloys greatly affects the mechanical properties and deformation behavior. Nowadays, it is difficult for titanium alloys to acquire accurate sensitivity information of the microstructure using empirical mathematical models and internal-state-variable models based on equiaxed microstructure because these models can not describe the evolution behavior of different kinds of microstructure morphology. In present study, the microstructure evolution and dynamic response characteristics of titanium alloys are investigated in depth during the forging process, in which titanium alloys contain different kinds of microstructure morphology. Moreover, new microstructure sensitivity models of titanium alloys are developed to predict the sensitivity of different kinds of microstructure morphology with respect to processing parameters during the forging process. And the microstructure evolution and the sensitivity law are acquired with the help of numerical analysis. Finally, the appropriate optimality criterion is proposed based on the sensitivity law and used to solve the problem of microstructure control. Present study lays a foundation for developing advance plastic forming technology of titanium alloys.

钛合金是一种微观组织敏感型材料，其微观组织形态决定了锻件的使用性能，影响着锻造成形行为。目前，以试验研究为基础的经验模型和针对等轴晶粒的内变量模型，不能反映钛合金锻造成形时多种微观组织形态的演变行为，因而，难以准确获得钛合金锻造成形过程中的微观组织敏感性信息。本项目通过深入研究多种微观组织形态共存的钛合金锻造成形微观组织演化行为与动态响应特性，建立耦合宏观与微观变形机制的钛合金锻造成形时微观组织敏感性模型，与数值分析相结合，阐明钛合金锻造成形过程中微观组织演变与动态响应规律，提出钛合金锻造成形过程中的微观组织调控方法与准则，解决钛合金锻造成形时的微观组织控制难题，为发展先进锻造成形技术提供理论依据。

钛合金作为一种代表性的微观组织敏感型材料，其锻造成形过程中的微观组织演变与状态直接决定了钛合金锻件的使用性能和可靠性，并显著影响着钛合金的锻造成形行为。因此，深入研究钛合金锻造成形过程中的宏观与微观交互作用机理，解决钛合金锻造成形时微观组织主动控制的基础性问题，不仅是创新钛合金锻造成形技术的理论基础，而且是国际先进制造技术领域的重大而迫切的需求。本项目以热模拟压缩试验、微观组织试验、理论分析和试验验证等方法，采用OM、SEM、TEM和EBSD技术对初始组织为等轴组织和片层组织的钛合金高温变形微观组织演变行为进行了深入系统研究，获得了钛合金高温变形时的流动软化机理、动态再结晶机理、动态球化机理、两相多晶之间的协调变形机理，在此基础上揭示了微观组织演变与敏感性对钛合金锻造成形参数的动态响应机制，建立了钛合金锻造成形时的微观组织敏感性模型。本研究项目完成了计划研究的全部内容。本项目取得了以下主要研究成果：（1）获得了不同微观组织形态、工艺参数对钛合金热模拟压缩时的流动应力、表观变形激活能、应变速率敏感性指数和应变硬化指数的影响；（2）确定了不同微观组织形态、塑性应变对钛合金热模拟压缩时的能量耗散率值和不稳定变形区域的影响；（3）阐明了不同原始微观组织状态下钛合金的流动软化机理；（4）阐明了钛合金长条状α相动态球化机理和β相动态再结晶机理；阐明了片层组织钛合金高温变形时β相微观组织演变机理和α片层球化过程对其的作用机制；（5）阐明了不同微观组织形态对锻造成形参数的动态响应机理；（6）建立了钛合金锻造成形时的微观组织敏感性模型。本项目的科学意义在于：其研究成果为高性能钛合金锻造成形零件的微观组织主动控制奠定了理论基础，解决钛合金锻造成形时的微观组织控制难题，对促进航空航天领域急需的先进锻造成形技术发展具有重要的科学意义。本项目共公开发表学术论文8篇，录用1篇，其中SCI论文8篇，协助培养博士生1人，硕士研究生2人。