高温钛合金整体叶盘局部加载β锻-热处理精确成形与组织形成协同调控机理

Coordinately regulating mechanism of precision shaping and microstructure forming for high-temperature Ti-alloy blisk under local loading β-forging combined with heat treatment is the key scientific challenge to be solved urgently for solving bottleneck problems such as streamline disorders, folding and difficulty in obtaining the target microstructure, realizing integrated manufacturing of shape and performance, meeting the demand of extreme service performance required by the thrust-weight ratio aeroengine. In this project a comprehensive method of theory, experiment, computer simulation will be adopted to develop β phase evolution model of high-temperature Ti-alloy, macro and micro coupling constitutive relationship under local load β-forging and heat treatment; to reveal the formation and evolution law of lamellar microstructure under coupling role of β-forging and heat treatment, and to establish the quantitative relationship; to propose the method for streamline distribution and folding defect prediction and control in blisk precision forming; to develop the coordinately regulating method and technology of precision shaping and microstructure forming through optimizing local loading parameters and preforming billet to control material flow, optimizing local loading and heat treatment thermal parameters to control microstructure evolution. The research and results are of great significance to developing theory and technology of advanced local β-forging and heat treatment and improving forming level of high-performance Ti-alloy blisk in our country.

高温钛合金整体叶盘局部加载β锻-热处理精确成形与组织形成协同调控机理，是解决钛合金整体叶盘成形流线紊乱、折叠和目标组织获得难瓶颈问题、实现形性一体化制造，使之满足高推重比航空发动机所需的极端服役性能要求，迫切需要解决的关键科学问题。本项目综合采用理论、实验、计算机仿真方法，研究建立高温钛合金局部加载β锻-热处理β相演化模型与材料宏微观耦合本构关系，研究揭示局部加载β锻与热处理耦合作用下片层组织形成演化规律和定量关系，研究建立整体叶盘精确成形流线分布、折叠缺陷预测控制方法，研究建立通过局部加载β锻参数与预成形毛坯优化控制材料流动、局部加载结合热处理参数优化控制微观组织演化的整体叶盘精确成形与组织形成协同调控方法与技术。本研究对发展局部加载β锻-热处理先进成形理论与技术、提升我国高性能整体叶盘成形制造水平具有重要意义。

局部加载β锻结合后续热处理为高温钛合金整体叶盘成形和性能优异的细小片层组织获得，提供了可能的新途径。然而由于局部加载β锻和热处理的共同作用，导致整体叶盘成形流线紊乱、折叠和目标组织获得难，构件精确成形与组织形成协同调控困难。本项目综合采用理论、实验、计算机仿真方法，研究揭示了Ti-6242S钛合金等温β锻材料流变和软化行为、锻造全过程β晶粒演化机制与规律，建立了Ti-6242S钛合金等温β锻微观组织模型、宏微观本构模型和有限元预测模型。揭示了高温钛合金锻后冷却、后续热处理片层α组织形核、生长机制，建立了片层组织含量、尺寸、分布混乱度的定量表征方法，探明了锻造历史、锻后冷速和热处理条件及其耦合作用下片层组织的含量、尺寸及分布演化规律及定量关联关系。揭示了不同局部加载分区、道次、压下量及初始毛坯形状和尺寸下钛合金整体叶盘成形过程中的型腔充填、径/周向折叠缺陷的形成及演化行为，建立了基于材料转移量的钛合金整体叶盘局部加载β锻造折叠缺陷的定量表征和预测方法。建立了Ti6242S合金片层α相神经网络预测模型和基于响应面法的整体叶盘不等厚坯料优化设计方法，形成了整体叶盘精确成形与组织形成协同调控方法与技术。研究成果在本领域TOP1期刊Int J Plasticity、材料成形制造领域权威期刊JMPT、Mater Design、JAC、Int J Adv Manuf Tech等发表论文13篇，SCI收录12篇。获授权发明专利1项。应邀在国际和国内会议做大会/邀请报告5次，项目负责人作为执行主席举办中国科协第326次青年科学家论坛聚焦“航空发动机新材料与制造技术”。项目负责人入选科技部创新人才推进计划（2020）和国家高层次人才特殊支持计划（2020）。