钛合金大型整体构件等温局部加载复杂热变形历史下三态组织定量调控

The isothermal local loading forming provides an important way to realize the integrated coordination of precision shape forming and performance control of titanium alloy large-scale integral components. To this end, the quantitative control of tri-modal microstructure under complex thermal-mechanical processing history in the isothermal local loading forming of titanium alloy is the key scientific problem urgently to be solved. Combining theoretical analysis, numerical simulation and experimental investigation, the influencing mechanisms and laws of complex thermal-mechanical processing history on the development of tri-modal microstructure during the isothermal local loading forming of titanium alloy will be revealed. The prediction model of tri-modal microstructure during the isothermal local loading forming of titanium alloy large-scale integral component will be established, based on which the control method of tri-modal microstructure will be developed. The effect of microstructure parameters of tri-modal microstructure on its mechanical properties will be revealed quantitatively, which will provide guidance for determining the target ranges of microstructure parameters and processing scheme. This research is critical to developing the theory and technique of isothermal local loading forming, and will provide basis for the manufacturing of titanium alloy large-scale complex components in aero-space field.

等温局部加载成形技术为实现高性能轻量化钛合金大型整体构件的精确成形成性一体化制造提供了重要途径，而如何实现钛合金等温局部加载复杂热变形历史下三态组织定量调控，是其中迫切需要解决的关键科学问题。本项目综合采用理论分析、建模仿真和实验研究结合的方法，研究揭示等温局部加载复杂热变形历史对钛合金三态组织形成作用机制及影响规律；研究建立钛合金复杂大件等温局部加载三态组织特征参数预测模型及调控方法；研究探明等温局部加载下钛合金三态组织特征参数对力学性能的定量影响规律，为确定满足服役性能要求下目标三态组织的特征参数调控范围及工艺方案提供依据。本研究对发展等温局部加载成形理论和先进技术具有重要意义，并可为提升航空航天领域钛合金复杂大件高性能成形制造水平提供依据。

等温局部加载成形技术是成形高性能轻量化钛合金大型整体构件的重要途径，而如何定量调控成形过程中组织演变，获得组织参数合理匹配、综合性能优异的目标三态组织，是实现成形成性一体化制造面临的关键挑战。然而，等温局部加载成形中温度历史复杂且不均匀变形强烈，导致组织形态和参数演化复杂，组织调控十分困难；而且钛合金力学性能强烈依赖于各构成相微观性能与参数，高性能目标组织难以确定，使得钛合金等温局部加载三态组织定量调控成为关键挑战。为此，本项目采用理论分析、实验研究和建模仿真结合的方法，研究揭示了复杂温度历史及不均匀变形对三态组织形成及演化的作用机制，探明了影响三态组织特征参数的关键工艺参数，并获得了关键工艺参数与三态组织特征参数间定量关系式。将上述定量关系式数值化，嵌入有限元模拟软件，建立了耦合三态组织预测模型的等温局部加载成形宏微观有限元模型。研究揭示了三态组织各构成相微观性能及其在外载作用下细观不均匀变形与损伤机制，据此研究探明了三态组织特征参数对其强度、塑性、低周疲劳性能与断裂韧性的影响机制与规律，建立了组织参数与力学性能间定量关系，并确定了高性能目标三态组织参数范围。以目标三态组织为导向，基于等温局部加载宏微观有限元模型，逆向求解确定了目标三态组织下等温局部加载成形极限，并发明了等温局部加载三态组织定量调控方法。研究结果对发展等温局部加载成形理论和先进技术具有重要指导意义。. 本项目研究成果在材料加工领域著名期刊JMPT、JAC等发表论文20篇，SCI收录19篇；申请发明专利1项，授权软件著作权1项；获2019年国防科学技术进步二等奖（项目负责人排2）。在本项目的支持下，项目负责人入选2018年中国科协青年人才托举工程、2018年人社部“香江学者计划”和2017年陕西省高校科协青年人才托举计划。