典型钛合金开坯锻透性关键技术研究

How to achieve the center-part permeability of difficult-to-deformation materials,which is the most common technology problem and important factor for hot workability in plastic working, always is the research focus in the field of advanced plastic processing. With the development of computer and its correlation technique as well as the continuous improvement of advanced plastic processing technology, it has been one of the frontier research to introduce determination method of permeability into finite element analysis. However, it is limited to predict the dynamic recrystallization in inner of ingot due to the existing evaluation criteria of permeability at home and abroad are generally based on production experience. And the recrystallization degree of difficult-to-deformation materials is insufficient, which makes the determination of inner permeability and how to represent the permeability become the one of the key problems needed to be resolved currently. Additionally, it is easy to appear fracture for difficult-to-deformation materials during the high temperature deformation. Therefore, how to achieve the center-part permeability on avoiding or reducing fracture premises becomes the challenging problem that needs to be solved urgently in engineering application. The titanium alloy is chosen as investigated subject, and the cogging as research process, the systematic and thorough investigation on the cogging permeability behavior has been carried out by using mechanism analysisi, experimetal study and FE numerical simulation.

难变形材料热加工过程中如何实现心部锻透是塑性加工过程中常见的工艺问题和影响热加工性的重要因素，历来都是先进塑性加工领域的关注热点。随着计算机及其相关技术的发展，以及先进塑性加工工艺的不断完善和成熟，将锻透性的判定方法引入有限元计算成为先进塑性加工领域的前沿研究方向之一。然而，由于国内外现有的锻透性评判标准一般都是基于生产经验的，对于坯料心部再结晶的预测有一定的局限性，而且难变形材料高温变形条件下再结晶程度不完全，使得心部锻透性的判定及如何准确的表征心部锻透是目前急需解决的关键问题之一。另外，难变形材料在高温变形时易发生开裂，如何在尽量避免或减少开裂的前提下实现心部锻透成为该先进方法工程应用迫切需要解决的挑战性难题。为此，本项目采用机理分析、试验研究和有限元数值模拟相结合的方法，以钛合金为研究对象，选取材料加工过程中最易发生开裂的工序—开坯作为研究工艺，对开坯锻透性行为进行深入研究。

锻透性与锻造设备吨位大小、上下砧块宽度、金属变形速度及锻坯材料等因素有关，使用任何一种锻压设备锻制钛合金等难变形材料，都存在锻透性的问题，它与锻造参数（变形速度、变形量、变形温度等）有直接关系，而且难变形材料在高温变形时易发生开裂，如何在避免或减少开裂的前提下实现心部锻透，成为钛合金等难变形材料开坯过程中迫切需要解决的挑战性难题。为此，本项目采用机理分析、试验研究和有限元数值模拟相结合的方法，以钛合金为研究对象，选取材料加工过程中最易发生开裂的工序—开坯作为研究工艺，对钛合金的开坯锻透性进行深入研究：.1.借助于热压缩实验，获得了TA15、TC21、Ti40合金的流变曲线，建立了三种合金的本构模型，分析了变形参数对组织演变的影响规律，构建了三种合金的加工图，给出了三种合金开坯过程较优的加工窗口，分别为1100-1150℃/0.1s-1、1100-1150℃/0.1s-1、950~1050℃/0.01~0.1s-1；.2.提出了室温开裂准则的选取方法：(1) 根据开裂位置预测准确性进行选择；(2) 根据临界开裂值预测规律进行选择；(3) 根据开裂受力模式、开裂机理及原因进行选择；.3.建立了典型钛合金开坯锻透性预测模型，获得了不同初始变形温度下的Ti40合金锻透性预测模型；.4.基于前期建立的开裂分析模型，结合Deform-3D有限元模拟软件的二次开发功能，使用FORTRAN语言，选取了USRUPD模块编写子程序，将钛合金再结晶程度预测子程序嵌入到Deform-3D软件中，实现了钛合金在热变形过程中的锻透性模拟和预测，三点预测的平均相对误差仅为0.8370%，说明建立的钛合金变形－再结晶－损伤耦合分析模块是可用且有效的；.5.分析了平砧、U型砧、V型砧等砧型，压下量、接砧量等工艺参数，镦粗、拔长等开坯方式对钛合金开坯过程心部锻透及表面开裂的影响，发现型砧更有利于心部锻透，第一火开坯首次变形量在30-40%为宜，两种开坯方式对心部再结晶都是有利的，拔长更有利于坯料近外表面处的再结晶。