基于改锻-制坯一体化的钛合金高性能大件预成形组织调控机理与方法

Microstructure control of the billet of high performance large scale titanium alloy component based on integrated design of primary working and preforming, is a key scientific problem urgently to be solved in developing precision plastic forming technology for integrated forming of shape and performance of large scale integral titanium alloy component. Combining theoretical analysis, experimental investigation and numerical simulation, the influencing mechanism of strain path on the mesoscale homogeneity of lamellae globularization will be revealed. The preferred strain path for improving mesoscale microstructure homogeneity will be obtained. The effect of initial state and multi-pass processing conditions on the evolution of lamellar structure will be investigated and the key factors governing the microstructure evolution in the whole process of primary working and preforming will be revealed. The finite element model of primary working and preforming will be established for prediction of through-process deformation and microstructure evolution. The relation among processing, deformation and microstructure will be obtained. The principle of microstructure homogenization by controlling temperature field and strain field in multiple hot working will be clarified. The method for through-process design of primary working and preforming will be developed for the asymmetric billet of titanium alloy. This project will provide basis for developing advanced plastic forming technique of large scale integral titanium alloy component.

基于改锻-制坯一体化的钛合金高性能大件预成形组织调控机理与方法研究，是发展钛合金复杂大件精确塑性成形技术，实现其高性能轻量化成形成性一体化制造，迫切需要解决的关键基础科学问题。本项目综合采用理论、实验和数值模拟方法，研究揭示改锻-制坯中复杂变形路径对钛合金片层组织球化细观均匀性的作用机制，获得利于提高组织细观均匀性的变形路径；研究揭示初始组织状态和多道次变形条件对片层组织演变的影响规律，探明改锻-制坯全过程微观组织演变关键控制因素；研究建立钛合金大型整体构件改锻-制坯全过程变形和微观组织预测有限元仿真模型，揭示成形工艺-宏观变形-微观组织的关联关系；研究阐明主动调控多道次变形温度场和应变场获得均匀组织的原理，发展钛合金大型非对称坯料热成形全过程设计方法。本研究可为发展钛合金大型整体构件精确塑性成形成性一体化技术提供指导。

基于改锻-制坯一体化的钛合金高性能大件预成形组织调控机理与方法研究，是发展钛合金复杂大件精确塑性成形技术，实现其高性能轻量化成形成性一体化制造，迫切需要解决的关键基础科学问题。本项目综合采用理论、实验和数值模拟方法对此进行了系统研究。取得主要进展如下：（1）引入附加滑移系来描述非均质变形以此来简化模型，同时考虑了界面强化各向异性作用，建立了片层组织高温变形晶体塑性本构关系，与非均质变形相关的晶体转动，是压缩中α相横向织构形成的主要原因；建立了片层组织细观非均质变形有限元模型，揭示了晶体和几何取向耦合对集束各向异性变形的作用机制。（2）揭示了片层组织钛合金热变形细观非均质球化机制，获得了球化体积分数和片层几何及晶体学取向的定量关系：峰值球化率出现在几何及晶体学角度为30-40度的情况，随着φ角度的增大，集束变形抗力的增加和片层扭折的产生会降低整体球化率；阐明了片层扭折机理，确定了钛合金初始热加工过程稳定成形条件（3）探明了钛合金片层组织球化的变形路径效应，发现拉应力作用下元素扩散加速，从而导致组织粗化促进片层分离；揭示了多道次间歇加载加速球化的机制，初始加载使得两相产生一定的晶体缺陷，α相内的晶体缺陷在后续保温过程中演变为具有中低取向差的内部横向界面，同时β相再结晶破坏了两相间的伯格斯位向关系，二者共同促进了片层α相的分离和二次加载时的晶界滑移和应变分离。发现了β预变形对后续片层组织球化及细观均匀性的作用规律。（4）以耦合应力三轴度和罗德角参数的方程来描述不同加载方式对球化动力学的影响，建立了考虑应变路径效应的片层组织球化模型，实现了不同应变路径下球化体积分数的精确预测；发展了钛合金筋板类构件预成形坯料的设计方法，揭示了制坯变形路径下的片层球化规律。本研究可为发展钛合金大型整体构件精确塑性成形成性一体化技术提供指导。研究成果在本领域著名期刊Int. J. Plast 等发表学术论文28篇，共培养研究生8人。