CN103993249B - 用于钛合金等温局部加载成形的实验方法 - Google Patents
用于钛合金等温局部加载成形的实验方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于钛合金等温局部加载成形的实验方法,采用凸模以增加模具与坯料配合中的稳定性,解决了试样与圆弧模具装配时容易偏移失稳的问题,显著提高了实验成功率。本发明通过使用凸模与不使用凸模分步加载的方式实现局部加载成形过渡区不均匀变形。模具加工与实验操作均简便易行,且很好地反映了过渡区在局部加载成形中的变形特点。本发明中,坯料的变形量梯度较圆弧模具时更加均匀,易于控制,便于后续特定变形量区域的组织观测,为定量研究揭示钛合金等温局部加载成形中过渡区微观组织演化机制及规律提供了很好的实验基础。
Description
技术领域
本发明涉及热加工领域,具体是一种用于钛合金等温局部加载成形过渡区微观组织演化研究的物理模拟实验方法,其可以定量反映过渡区的不均匀变形特点。
背景技术
钛合金大型复杂构件(如飞机隔框等)具有轻量化、高性能和高可靠性的特点,在航空、航天领域具有广泛应用。等温局部加载成形工艺为此类钛合金大型复杂构件的精密成形提供了一条新的有效途径。但其成形过程是一个多道次、多工步、多火次的复杂过程,它通过不断变换加载位置,逐步积累局部变形最后完成整个锻件的成形。每一加载步中存在加载区、未加载区和过渡区,其中过渡区材料在加载区和未加载区的限制下发生变形,应力状态由绝对屈服变形向弹性变形过渡,经历强烈的不均匀变形及复杂的高温变形历史,其微观组织演化极其复杂,难以控制,对最终构件使用性能具有重要影响。因此,急需针对钛合金等温局部加载成形中过渡区微观组织演化开展实验研究,揭示其演化机制及规律为成形参数的合理选取提供指导。
为了缩短实验周期、降低实验成本及设备要求,常采用物理模拟实验的方法来研究钛合金高温变形中的组织演化特征。而如何设计操作简便、周期短、成本低,并能够有效地反映局部加载成形中过渡区不均匀变形特征的物理模拟实验成为亟待解决的关键问题。目前,圆柱体热模拟压缩实验由于具有简便高效的特点,被广泛用于钛合金高温变形组织演化的实验研究中,但圆柱体压缩实验仅能反映整体加载工艺的变形特点,不适用于局部加载成形。在公开号为CN101294265A的专利中披露了一种通过分块平模对方坯局部加载的模拟实验确定近α型钛合金等温局部加载工艺参数的方法,但其实验主要针对先变形区和后变形区的变形特征,对过渡区的不均匀变形特点(如不均匀变形量梯度)缺乏深入分析,另外,此种模拟实验方式需要较大的坯料体积及设备工作台面,实验成本高。樊晓光等人在MaterialsScienceandEngineeringA第528卷,2694-2703页上发表的MicrostructureevolutionofthetransitionalregioninisothermallocalloadingofTA15titaniumalloy论文中提出一种顺序采用圆弧模具和平模加载坯料的物理实验模拟局部加载成形中过渡区变形特点的方法,其能够较好地反映过渡区在局部加载成形中经历多道次不均匀变形的特点,但使用圆弧模具使得实验过程中模具与坯料装配困难,增加了操作难度,降低了实验成功率,且圆弧形过渡区的变形量梯度不均匀,部分区域变形量变化过快不利于后续特定变形量区域的组织观测。此外,该工作中的模拟实验仅局限于过渡区不均匀变形特点的定性反映,并未给出如何实现过渡区特定不均匀变形程度及变形梯度定量模拟的实验方法。因此,需要一种简便有效的物理模拟实验方法,实现构件等温局部加载成形中过渡区特定不均匀变形程度及变形梯度的物理模拟,为研究揭示钛合金等温局部加载成形中过渡区微观组织演化机制及规律提供实验基础。
发明内容
为了克服现有等温局部加载过渡区不均匀变形物理模拟技术中模具与坯料装配困难,实验成功率低,特定变形量区域组织观测困难,且无法实现过渡区给定不均匀变形程度及变形梯度定量模拟的不足,本发明提出了一种用于钛合金等温局部加载成形的实验方法。
本发明的具体过程是:
步骤1,确定局部加载压下量。由局部加载成形过渡区不均匀变形特征要求中确定的过渡区最大不均匀应变量级εmax,采用公式(1)确定局部加载压下量D。
D=Hb×(1-exp(-εmax))(1)
式中:Hb为坯料高度,εmax为指定的过渡区最大不均匀应变量级,为0.35~1.2。
步骤2,确定模具的外形尺寸。
所述模具的水平截面为矩形。所述模具由柱面段和斜面段组成,其中,柱面段短边的边长为Wd,柱面段高度为H=5mm;斜面段顶表面的短边的边长为Bd=5mm,斜面段的垂直高度为Hd。柱面段长边Ld1与斜面段顶表面的长边Ld2的长度均为36mm。所述斜面段垂直高度Hd与局部加载压下量D相同。
确定模具的外形尺寸时:
所述柱面段短边的边长Wd根据指定的过渡区不均匀变形量梯度k,通过公式(2)确定。
Wd=4Hd/k+Bd(2)
式中:Hd为模具的斜面段垂直高度;k=1~2;Bd为模具斜面段顶表面短边的边长:Wd为模具柱面段短边的边长。
步骤3,确定坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb。通过公式(3)确定坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb。
Lb=Wd+5(3)
步骤4,坯料及模具制备。
步骤5,等温局部加载成形。在高温力学实验机上完成等温局部加载成形,等温局部加载分两个加载步完成,具体实施过程是:
第一加载步:将模具放置在高温力学实验机下模中央。在坯料表面均匀涂上钛合金用玻璃润剂并将坯料放置在模具上,使模具和坯料的纵向对称面和横向对称面分别重合,如附图2所示。通过高温力学实验机将模具和坯料整体加热到变形温度Tβ-(80~20)℃并保温30分钟。保温结束后,控制高温力学实验机的上模下压,实施第一加载步。当高温力学实验机上模下表面与坯料上表面接触后下压D。高温力学实验机的压下速度为0.1~0.4mm/s,完成加载后将变形坯料及模具取出空冷。
第二加载步:在第一加载步变形冷却后的坯料表面均匀涂上钛合金用玻璃润剂并将经过第一加载步变形后坯料凹面朝上放置在实验机下模中央,通过高温力学实验机将模具和坯料整体加热到变形温度Tβ-(80~20)℃并保温30分钟。保温结束后,控制高温力学实验机的上模下压,实施第二加载步。当高温力学实验机的上模下表面与坯料上表面接触后下压D。实验机的压下速度为0.1~0.4mm/s。完成加载后将变形坯料及模具取出空冷。
步骤6,过渡区微观组织观测。将经过第一加载步或第二加载步变形冷却后的试样沿平行于长度方向的对称面剖开,制备金相试样并观测不同变形量区域的微观组织。
本发明所使用的模具为凸模,并通过使用凸模与不使用凸模分步加载的方式实现局部加载成形过渡区不均匀变形。模具加工与实验操作均简便易行,且很好地反映了过渡区在局部加载成形中的变形特点。本发明中采用的模具与已有的圆弧模具相比,方便了实验中试样与模具的装配,增加了装配稳定性,解决了试样与圆弧模具装配时容易偏移失稳的问题,显著提高了实验成功率。本发明中所采用的模具形成直线形式的过渡区,其变形量梯度较圆弧模具时更加均匀,易于控制,便于后续特定变形量区域的组织观测。此外,本发明结合塑性变形理论与有限元模拟,给出了通过改变模具与坯料外形尺寸实现等温局部加载成形中过渡区特定不均匀变形程度及变形梯度定量模拟的系统设计规则。附图3和附图4分别给出了实施例一和实施例二中不同加载步后试样对称面上的应变分布情况,可以看出本发明提出的物理实验方法可以很好的模拟局部加载过渡区不均匀变形特征,且实验结果中不均匀变形程度及变形梯度定量均与实施例中提出的要求相吻合。因此,本发明中提出的物理实验方法为定量研究揭示钛合金等温局部加载成形中过渡区微观组织演化机制及规律提供了很好的实验基础。
附图说明
图1是模具的结构示意图。
图2是等温局部加载实验第一加载步中模具和坯料的装配示意图。
图3是实施例一中不同局部加载步后试样对称面上的应变分布情况,其中,a是第一加载步后应变分布,b是第二加载步后应变分布。
图4是实施例一中过渡区不同加载步后不同变形量区域,其中:a图为附图3中a图1区域的组织,b图为附图3中a图2区域的组织,c图为附图3中b图3区域的组织,d图为附图3中b图4区域的组织。
图5是实施例二中不同局部加载步后试样对称面上的应变分布情况,其中,a是第一加载步后应变分布,b是第二加载步后应变分布。
图6是实施例二中过渡区不同加载步后不同变形量区域,其中:a图为附图5中a图1区域的组织,b图为附图5中a图2区域的组织,c图为附图5中b图3区域的组织,d图为附图5中b图4区域的组织。
图7是本发明的流程图。附图中:
1.实验机上模,2.坯料,3.模具,4.实验机下模。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种用于钛合金等温局部加载成形的实验方法。
本实施例利用20吨的高温力学实验机完成等温局部加载成形,采用高温下模具与平模分步加载的方式,结合坯料与模具尺寸及加载压下量的系统设计模拟TA15钛合金等温局部加载成形过渡区不均匀变形特征,实现过渡区组织演化的简便实验研究。
本实施例中所用试样为立方体坯料,采用TA15钛合金制成。所述坯料的高度Hb=14mm,坯料水平矩形截面的短边的边长为18mm。所述TA15钛合金的相变点Tβ是990℃,过渡区变形特征的模拟要求为:变形温度为Tβ-20℃,变形加载速度为0.1mm/s,过渡区最大不均匀应变量级εmax为0.35,不均匀变形量梯度k为1,变形结束后试样空冷。具体实施过程包括以下步骤:
步骤1,确定局部加载压下量。所述局部加载压下量是指实验机上模1与坯料2上表面接触后的压下量。由局部加载成形过渡区不均匀变形特征要求中确定的过渡区最大不均匀应变量级εmax,采用公式(1)确定局部加载压下量D。
D=Hb×(1-exp(-εmax))(1)
式中:Hb为坯料高度,εmax为指定的过渡区最大不均匀应变量级。
本实施例中,坯料高度Hb为14mm,过渡区最大不均匀应变量级εmax为0.35,得到局部加载压下量D为4.13mm。
步骤2,确定模具的外形尺寸。所述模具3采用K403高温合金制成,水平截面为矩形。所述模具由柱面段和斜面段组成,其中,柱面段短边的边长为Wd,柱面段高度为H;斜面段顶表面的短边的边长为Bd,斜面段的垂直高度为Hd。柱面段长边的边长与斜面段顶表面的长边的边长相同,均为Ld。
所述柱面段高度H=5mm,斜面段顶表面的短边的边长Bd=5mm,柱面段长边Ld1的长度与斜面段顶表面的长边Ld2的长度相同,均为36mm。
所述斜面段垂直高度Hd与局部加载压下量D相同,均为4.13mm。
所述柱面段短边的边长Wd则根据指定的过渡区不均匀变形量梯度k,通过公式(2)确定。
Wd=4Hd/k+Bd(2)
式中:Hd为模具的斜面段垂直高度,k为指定的过渡区不均匀变形量梯度,Bd为模具斜面段顶表面的短边的边长。
本实施例中,模具3的斜面段垂直高度Hd为4.13mm,过渡区不均匀变形量梯度k为1,模具斜面段顶表面的短边的边长Bd为5mm,得到模具柱面段短边的边长Wd为21.54mm。
步骤3,确定坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb。通过公式(3)确定坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb。
Lb=Wd+5(3)
式中:Wd为模具柱面段短边的边长。
本实施例中,模具柱面段短边的边长Wd为21.54mm,得到坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb为26.54mm。
步骤4,坯料及模具制备。
在制作TA15钛合金坯料时,按确定的尺寸加工成形TA15钛合金坯料,并表面磨光。
在制作模具时,按确定的尺寸加工成形所述模具,并表面磨光。模具选用K403高温合金。
步骤5,等温局部加载成形。在高温力学实验机上完成等温局部加载成形,等温局部加载分两个加载步完成,具体实施过程是:
第一加载步:将模具柱面段的下表面放置在高温力学实验机下模4的中央。在坯料表面均匀涂上钛合金用玻璃润剂后,放置在模具斜面段的端面上,使模具和坯料的纵向对称面和横向对称面分别重合,如附图2所示。通过高温力学实验机将模具和坯料整体加热到变形温度Tβ-20℃并保温30分钟。保温结束后,控制高温力学实验机的上模下压,实施第一加载步。当高温力学实验机上模下表面与坯料上表面接触后下压D。高温力学实验机的压下速度为0.1mm/s,完成加载后将变形坯料及模具取出空冷。
第二加载步:在第一加载步变形冷却后的坯料2的表面均匀涂上钛合金用玻璃润剂并将经过第一加载步变形后坯料凹面朝上放置在实验机下模中央,通过高温力学实验机将模具和坯料整体加热到变形温度Tβ-20℃并保温30分钟。保温结束后,控制高温力学实验机的上模下压,实施第二加载步。当高温力学实验机的上模下表面与坯料上表面接触后下压D。实验机的压下速度为0.1mm/s。完成加载后将变形坯料及模具取出空冷。
步骤6,过渡区微观组织观测。将经过第一加载步或第二加载步变形冷却后的试样沿平行于长度方向的对称面剖开,制备金相试样并观测不同变形量区域的微观组织。
附图3给出了通过DEFORM有限元软件模拟获得的实验中不同局部加载步后试样对称面上的应变分布情况,从图中可以看出本实验可以很好地反映等温局部加载成形过渡区的不均匀变形特征,过渡区最大不均匀应变量级和不均匀变形量梯度均与实验要求吻合良好。附图4代表性地给出了过渡区不同加载步后不同变形量区域的微观组织,其中a图为附图3中a图1区域的组织,b图为附图3中a图2区域的组织,c图为附图3中b图3区域的组织,d图为附图3中b图4区域的组织。
实施例二
本实施例是一种用于钛合金等温局部加载成形的实验方法。本实施例利用高温下模具与平模分步加载的方式,结合坯料与模具尺寸及加载压下量的系统设计模拟TA15钛合金等温局部加载成形过渡区不均匀变形特征,实现过渡区组织演化的简便实验研究。
本实施例中所用试样为立方体坯料,采用TA15钛合金制成。所述坯料2的高度Hb=14mm,坯料水平矩形截面的短边的边长为18mm。所述TA15钛合金的相变点Tβ是990℃,过渡区变形特征的模拟要求为:变形温度为Tβ-80℃,变形加载速度为0.4mm/s,过渡区最大不均匀应变量级εmax为1.2,不均匀变形量梯度k为2,变形结束后试样水冷。具体实施过程包括以下步骤:
步骤1,确定局部加载压下量。所述局部加载压下量是指高温力学实验机上模1与坯料2上表面接触后的压下量。由局部加载成形过渡区不均匀变形特征要求中确定的过渡区最大不均匀应变量级εmax,采用公式(1)确定局部加载压下量D。
D=Hb×(1-exp(-εmax))(1)
式中:Hb为坯料高度,εmax为指定的过渡区最大不均匀应变量级。
本实施例中,坯料高度Hb为14mm,过渡区最大不均匀应变量级εmax为1.2,得到局部加载压下量D为9.78mm。
步骤2,确定模具的外形尺寸。所述模具3采用K403高温合金制成,水平截面为矩形。所述模具由柱面段和斜面段组成,其中,柱面段短边的边长为Wd,柱面段高度为H;斜面段顶表面的短边的边长为Bd,斜面段的垂直高度为Hd。柱面段长边的边长与斜面段顶表面的长边的边长相同,均为Ld。
所述柱面段高度H=5mm,斜面段顶表面的短边的边长Bd=5mm,柱面段长边Ld1的长度与斜面段顶表面的长边Ld2的长度相同,均为36mm。
所述斜面段垂直高度Hd与局部加载压下量D相同,均为9.78mm。
所述柱面段短边的边长Wd则根据指定的过渡区不均匀变形量梯度k,通过公式(2)确定。
Wd=4Hd/k+Bd(2)
式中:Hd为模具的斜面段垂直高度,k为指定的过渡区不均匀变形量梯度,Bd为模具斜面段顶表面的短边的边长。
本实施例中,模具3的斜面段垂直高度Hd为9.78mm,过渡区不均匀变形量梯度k为2,模具斜面段顶表面的短边的边长Bd为5mm,得到模具柱面段短边的边长Wd为24.57mm。
步骤3,确定坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb。通过公式(3)确定坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb。
Lb=Wd+5(3)
式中:Wd为模具柱面段短边的边长。
本实施例中,模具柱面段短边的边长Wd为24.57mm,得到坯料2的水平矩形截面的长边的边长Lb为29.57mm。
步骤4,坯料及模具制备。
在制作TA15钛合金坯料时,按确定的尺寸加工成形TA15钛合金坯料,并表面磨光。
在制作模具3时,按确定的尺寸加工成形所述模具,并表面磨光。模具选用K403高温合金。
步骤5,等温局部加载成形。在高温力学实验机上完成等温局部加载成形,等温局部加载分两个加载步完成,具体实施过程是:
第一加载步:将模具柱面段的下表面放置在高温力学实验机下模4的中央。在坯料表面均匀涂上钛合金用玻璃润剂后,放置在模具斜面段的端面上,使模具和坯料的纵向对称面和横向对称面分别重合,如附图2所示。通过高温力学实验机将模具和坯料整体加热到变形温度Tβ-80℃并保温30分钟。保温结束后,控制高温力学实验机的上模下压,实施第一加载步。当高温力学实验机上模下表面与坯料上表面接触后下压D。高温力学实验机的压下速度为0.4mm/s,完成加载后将变形坯料及模具取出水冷。
第二加载步:在第一加载步变形冷却后的坯料表面均匀涂上钛合金用玻璃润剂并将经过第一加载步变形后坯料凹面朝上放置在高温力学实验机下模中央,通过高温力学实验机将模具和坯料整体加热到变形温度Tβ-80℃并保温30分钟。保温结束后,控制高温力学实验机上模下压,实施第二加载步。当高温力学实验机上模下表面与坯料上表面接触后下压D。高温力学实验机的压下速度为0.4mm/s。完成加载后将变形坯料及模具取出水冷。
步骤6,过渡区微观组织观测。将经过第一加载步或第二加载步变形冷却后的试样沿平行于长度方向的对称面剖开,制备金相试样并观测不同变形量区域的微观组织。
附图5给出了通过DEFORM有限元软件模拟获得的实验中不同局部加载步后试样对称面上的应变分布情况,从图中可以看出本实验可以很好地反映等温局部加载成形过渡区的不均匀变形特征,过渡区最大不均匀应变量级和不均匀变形量梯度均与实验要求吻合良好。附图6代表性地给出了过渡区不同加载步后不同变形量区域的微观组织,其中a图为附图5中a图1区域的组织,b图为附图5中a图2区域的组织,c图为附图5中b图3区域的组织,d图为附图5中b图4区域的组织。
除实施例一和实施例二外,本发明还提出了其它四组不同参数组合下的实施例。在所述其它四组不同参数组合下的实施例中,用于钛合金等温局部加载成形的步骤均与所述实施例1和实施例2的过程相同,各实施例中的具体参数如表1所示:
表1
实施例三 | 实施例四 | 实施例五 | 实施例六 | |
钛合金材料 | TC4钛合金 | TC4钛合金 | TC11钛合金 | TC11钛合金 |
相变点Tβ | 995℃ | 995℃ | 1000℃ | 1000℃ |
变形温度 | Tβ-70℃ | Tβ-60℃ | Tβ-40℃ | Tβ-30℃ |
变形加载速度 | 0.15mm/s | 0.2mm/s | 0.3mm/s | 0.35mm/s |
变形结束后试样冷却方式 | 空冷 | 空冷 | 水冷 | 水冷 |
过渡区最大不均匀应变量级εmax | 0.5 | 0.7 | 0.9 | 1.05 |
过渡区不均匀变形量梯度k | 1.8 | 1.6 | 1.4 | 1.2 |
局部加载压下量D | 5.51mm | 7.05mm | 8.31mm | 9.10mm |
模具的斜面段垂直高度Hd | 5.51mm | 7.05mm | 8.31mm | 9.10mm |
模具柱面段短边的边长Wd | 17.24mm | 22.62mm | 28.74mm | 35.34mm |
坯料水平矩形截面长边的边长Lb | 22.24mm | 27.62mm | 33.74mm | 40.34mm |
从各实施例的应变分析结果来看均能够很好地反映过渡区的不均匀变形特征要求并很方便地用于过渡区不同加载步后不同变形量区域的微观组织分析。各实施例中坯料的高度Hb均为14mm,坯料水平矩形截面的短边的边长均为18mm。模具的柱面段高度H均为5mm,斜面段顶表面的短边的边长Bd均为5mm,柱面段长边的边长与斜面段顶表面的长边的边长Ld相同均为36mm。
Claims (1)
1.一种用于钛合金等温局部加载成形的实验方法,其特征在于,具体过程是:
步骤1,确定局部加载压下量;由局部加载成形过渡区不均匀变形特征要求中确定的过渡区最大不均匀应变量级εmax,采用公式(1)确定局部加载压下量D;
D=Hb×(1-exp(-εmax))(1)
式中:Hb为坯料高度;εmax为指定的过渡区最大不均匀应变量级,为0.35~1.2;
步骤2,确定模具的外形尺寸;
所述模具的水平截面为矩形;所述模具由柱面段和斜面段组成,其中,柱面段短边的边长为Wd,柱面段高度为H=5mm;斜面段顶表面的短边的边长为Bd=5mm,斜面段的垂直高度为Hd;柱面段长边Ld1与斜面段顶表面的长边Ld2的长度均为36mm;所述斜面段垂直高度Hd与局部加载压下量D相同;
确定模具的外形尺寸时:
所述柱面段短边的边长Wd根据指定的过渡区不均匀变形量梯度k,通过公式(2)确定;
Wd=4Hd/k+Bd(2)
式中:Hd为模具的斜面段垂直高度;k=1~2;Bd为模具斜面段顶表面短边的边长:Wd为模具柱面段短边的边长;
步骤3,确定坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb;通过公式(3)确定坯料的水平矩形截面的长边的边长Lb:
Lb=Wd+5(3)
步骤4,坯料及模具制备;
步骤5,等温局部加载成形;在高温力学实验机上完成等温局部加载成形,等温局部加载分两个加载步完成,具体实施过程是:
第一加载步:将模具柱面段的下表面放置在高温力学实验机下模的中央;在坯料表面均匀涂上钛合金用玻璃润剂后,放置在模具斜面段的端面上,使模具和坯料的纵向对称面和横向对称面分别重合;通过高温力学实验机将模具和坯料整体加热到变形温度Tβ-(80~20)℃并保温30分钟;保温结束后,控制高温力学实验机的上模下压,实施第一加载步;当高温力学实验机上模下表面与坯料上表面接触后下压D;高温力学实验机的压下速度为0.1~0.4mm/s,完成加载后将变形坯料及模具取出空冷;
第二加载步:在第一加载步变形冷却后的坯料表面均匀涂上钛合金用玻璃润剂并将经过第一加载步变形后坯料凹面朝上放置在实验机下模中央,通过高温力学实验机将模具和坯料整体加热到变形温度Tβ-(80~20)℃并保温30分钟;保温结束后,控制高温力学实验机的上模下压,实施第二加载步;当高温力学实验机的上模下表面与坯料上表面接触后下压D;实验机的压下速度为0.1~0.4mm/s;完成加载后将变形坯料及模具取出空冷;
步骤6,过渡区微观组织观测;将经过第一加载步或第二加载步变形冷却后的试样沿平行于长度方向的对称面剖开,制备金相试样并观测不同变形量区域的微观组织。
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