CN114818437B - 钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法 - Google Patents

钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114818437B
CN114818437B CN202210558546.3A CN202210558546A CN114818437B CN 114818437 B CN114818437 B CN 114818437B CN 202210558546 A CN202210558546 A CN 202210558546A CN 114818437 B CN114818437 B CN 114818437B
Authority
CN
China
Prior art keywords
forging
titanium alloy
strain
stress
field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210558546.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114818437A (zh
Inventor
罗皎
李聪
李淼泉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing Science And Technology Innovation Center Of Northwest University Of Technology
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Chongqing Science And Technology Innovation Center Of Northwest University Of Technology
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing Science And Technology Innovation Center Of Northwest University Of Technology, Northwestern Polytechnical University filed Critical Chongqing Science And Technology Innovation Center Of Northwest University Of Technology
Priority to CN202210558546.3A priority Critical patent/CN114818437B/zh
Publication of CN114818437A publication Critical patent/CN114818437A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114818437B publication Critical patent/CN114818437B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J13/00—Details of machines for forging, pressing, or hammering
    • B21J13/02—Dies or mountings therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/02—Die forging; Trimming by making use of special dies ; Punching during forging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J9/00—Forging presses
    • B21J9/10—Drives for forging presses
    • B21J9/20—Control devices specially adapted to forging presses not restricted to one of the preceding subgroups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/32—Making machine elements wheels; discs discs, e.g. disc wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K29/00—Arrangements for heating or cooling during processing
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/27—Design optimisation, verification or simulation using machine learning, e.g. artificial intelligence, neural networks, support vector machines [SVM] or training a model
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/12—Computing arrangements based on biological models using genetic models
    • G06N3/126—Evolutionary algorithms, e.g. genetic algorithms or genetic programming
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/22—Moulding
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Forging (AREA)

Abstract

本发明涉及一种钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，包括：建立所述钛合金不同组成相对流动应力影响的本构模型，将坯料尺寸设计、材料本构特性建立和塑性变形‑传热三维有限元数值模拟系统，得到不同坯料下预锻件和终锻件充填性、应力场、应变场和温度场分布状况模拟图和所述锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下预锻件和终锻件的应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图，从而得到最优的等温锻造的工艺参数。本发明提高钛合金整体叶盘等温锻造过程中的数值模拟精度，实现了钛合金整体叶盘的精确调控。

Description

钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法
技术领域
本发明涉及一种整体叶盘锻造技术领域，尤其涉及一种整体叶盘等温锻造工艺参数的优化方法。
背景技术
整体叶盘将叶片和轮盘作为一个整体，简化了整体结构，目前，国外先进大推力发动机都大量采用了整体叶盘。采用高性能轻质钛合金制造轻量化整体叶盘，能够从材料和结构两方面同时满足轻质需求，兼具功能高效、可靠性高、使用寿命长的优点，是飞行器轻量化的主要途径。但是，钛合金整体叶盘具有大型、整体、形状复杂、微观组织对工艺参数敏感等特征，这使得钛合金整体叶盘成形制造过程中存在成形困难、形状尺寸、精度、组织和性能难以控制等问题。因此，建立其本构模型及关键建模技术，获得坯料尺寸、锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子对钛合金整体叶盘锻造成形规律的影响，并合理设计出锻坯和锻造工艺参数，为发展钛合金整体叶盘先进塑性成形技术奠定理论基础。
专利公布号为“CN 113510207 A”的国家发明专利公开了一种“TC17钛合金大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法”。该方法采用计算机模拟仿真设计出整体叶盘的终锻模具和预锻模具，并对棒坯进行模锻成形形成变形均匀的预锻件，再采用终锻模具对预锻件进行模锻形成终锻件，其变形量和均匀性均得到提高，有效变形范围得到扩大，提高了原材料利用率。但是，采用该方法在数值模拟过程中，未涉及TC17钛合金材料本构模型的建立，更没有体现材料高温变形时的应变硬化、动态软化和不同组成相演化对宏观流动应力的影响，这势必会造成TC17钛合金整体叶盘应力场、应变场、温度场和载荷等宏观工艺参数计算结果精度低，反过来坯料尺寸设计和锻造工艺参数优化不准确的问题，最终导致TC17钛合金整体叶盘成形精度低、力学性能控制不准确等问题。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种能够在钛合金整体叶盘等温锻造过程中结合材料高温变形的应变硬化、动态软化和不同组成对流动应力的影响从而提高钛合金整体叶盘应力场、应变场、温度场和载荷工艺参数的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，包括：
步骤一、综合考虑所述钛合金材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立所述钛合金不同组成相对流动应力影响的本构模型；
步骤二、根据试验获得不同工艺参数下钛合金流动应力的试验值，以钛合金流动应力试验值与所述本构模型流动应力计算值的残差作为目标函数，采用遗传算法优化技术求解得到所述本构模型的材料参数值；
步骤三、建立所述钛合金整体叶盘等温预锻和终锻过程中的模具和锻坯的几何模型，确定所述几何模型的复杂约束边界条件和网格类型，并结合本构模型求解方程形成了用于钛合金整体叶盘等温锻造过程数值模拟的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，并通过所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统对不同坯料的预锻和终锻过程进行数值模拟，得到不同坯料下预锻件和终锻件充填性、应力场、应变场和温度场分布状况模拟图；
对比分析所述的充填性、应力场、应变场和温度场分布状况影响模拟图，选取充填饱满，应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的坯料尺寸为最优的钛合金坯料结构尺寸；
步骤四、运用所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，以所述最优的钛合金坯料结构尺寸作为钛合金整体叶盘锻坯，在不同锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下进行数值模拟，分别得到所述锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下预锻件和终锻件的应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图；
对比分析所述的预锻件和终锻件应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图，选取应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的工艺参数为最优的等温锻造的工艺参数。
进一步的，步骤一中所述建立的钛合金材料流动应力本构模型具体为：
式中，σ为流动应力(MPa)，σ0为高温变形过程中的屈服应力(MPa)，ε为应变，aα和aβ分别为α相和β相的应变硬化指数，所述钛合金的α相为密排六方结构，对应的变硬化指数aα＝2，所述钛合金的β相为体心立方结构，对应的变硬化指数aβ＝1；Tsus为相转变温度，单位为K；W为材料的动态软化体积分数；σs为稳态应力，单位为MPa；Q为表观变形热激活能，单位为kJ·mol-1；R为普适气体常数8.3145J·mol-1·K-1；T为绝对变形温度，单位为K；为应变速率，单位为s-1；/>为参考应变速率，单位为s-1；TR为参考变形温度，单位为K；/>为α相体积分数，TM为材料熔点，单位为K；式中的Bα、nα、Bβ、nβ、w、R1、S、n、p、c、k、m和j均为材料参数，应变速率敏感项/>采用反双曲正弦函数形式。
进一步的，步骤一中所述建立的钛合金材料流动应力本构模型是在Johnson-Cook型方程的基础上得到的。
进一步的，步骤二中所述的残差计算公式为：
式中，f(x)为所述流动应力试验值与本构模型的流动应力计算值的残差，x(x＝x1，x2，……，xs)为所述的材料参数，s为需要确定的材料参数个数，为在应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力计算值，单位为MPa；/>为应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力试验值，单位为MPa；m1为在变形温度为k，应变速率为j时所测流动应力的组数，n1为所取应变速率组数，l1为所取变形温度组数。
进一步的，在所述的步骤三中所述的本构模型求解方程是指以所述本构模型表达式、本构模型中流动应力对应变的导数以及所述流动应力对应变速率的导数表达式生成的求解方程。
进一步的，所述的钛合金是TC4或TC17合金。
本发明的有益效果是：本发明通过综合考虑材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立不同组成相对材料流动应力影响的本构模型，采用遗传算法优化本构模型中的材料参数，并结合本构模型求解方程建立塑性变形-传热有限元数值模拟系统，模拟研究坯料尺寸、锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子对钛合金整体叶盘锻造成形规律的影响，设计出最优坯料尺寸和锻造工艺参数，为钛合金整体叶盘的精确调控奠定基础。
由于本发明在建模时综合考虑了外界工艺参数、宏观动态塑性流动特征和不同变形温度下微观相组成变化对材料流动应力的影响，本发明建立的流动应力计算式，即本构模型能够更加真实地反映材料的本构特性，可准确揭示钛合金等温锻造过程中宏观塑性流动行为的内在复杂性，进而提高钛合金整体叶盘等温锻造过程中的数值模拟精度。此外，结合塑性变形-传热有限元数值模拟系统建模技术的开发，发展了一种基于精准有限元数值模拟的钛合金整体叶盘锻造坯料尺寸和工艺参数优化方法。
附图说明
图1为本发明优化后的整体叶盘模具和锻坯几何模型示意图；
图2为TC17合金高温变形时本构模型流动应力计算值与试验值的比较示意图；
图3为坯料预锻和终锻后材料充填情况示意图；
图4为预锻后预锻件的应力场、应变场和温度场分布示意图；
图5为终锻后终锻件的应力场、应变场和温度场分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
为了实现上述目的，本发明提供一下具体实施方式：
实施例1：一种钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，包括：
步骤一、综合考虑所述钛合金材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立所述钛合金不同组成相对流动应力影响的本构模型；所述的钛合金是TC4或TC17合金；
所述建立的钛合金材料流动应力本构模型具体为：
式中，σ为流动应力(MPa)，σ0为高温变形过程中的屈服应力(MPa)，ε为应变，aα和aβ分别为α相和β相的应变硬化指数，所述钛合金的α相为密排六方结构，对应的变硬化指数aα＝2，所述钛合金的β相为体心立方结构，对应的变硬化指数αβ＝1；Tsus为相转变温度，单位为K；W为材料的动态软化体积分数；σs为稳态应力，单位为MPa；Q为表观变形热激活能，单位为kJ·mol-1；R为普适气体常数8.3145J·mol-1·K-1；T为绝对变形温度，单位为K；为应变速率，单位为s-1；/>为参考应变速率，单位为s-1；TR为参考变形温度，单位为K；/>为α相体积分数，TM为材料熔点，单位为K；式中的Bα、nα、Bβ、nβ、w、R1、S、n、p、c、k、m和j均为材料参数，应变速率敏感项/>采用反双曲正弦函数形式。
所述建立的钛合金材料流动应力本构模型是在Johnson-Cook型方程的基础上得到的。
步骤二、根据试验获得不同工艺参数下钛合金流动应力的试验值，以钛合金流动应力试验值与所述本构模型流动应力计算值的残差作为目标函数，采用遗传算法优化技术求解得到所述本构模型的材料参数值；
所述的残差计算公式为：
式中，f(x)为所述流动应力试验值与本构模型的流动应力计算值的残差，x(x＝x1，x2，……，xs)为所述的材料参数，s为需要确定的材料参数个数，为在应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力计算值，单位为MPa；/>为应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力试验值，单位为MPa；m1为在变形温度为k，应变速率为j时所测流动应力的组数，n1为所取应变速率组数，l1为所取变形温度组数。
步骤三、建立所述钛合金整体叶盘等温预锻和终锻过程中的模具和锻坯的几何模型，确定所述几何模型的复杂约束边界条件和网格类型，并结合本构模型求解方程形成了用于钛合金整体叶盘等温锻造过程数值模拟的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，并通过所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统对不同坯料的预锻和终锻过程进行数值模拟，得到不同坯料下预锻件和终锻件充填性、应力场、应变场和温度场分布状况模拟图；所述的本构模型求解方程是指以所述本构模型表达式、本构模型中流动应力对应变的导数以及所述流动应力对应变速率的导数表达式生成的求解方程。
对比分析所述的充填性、应力场、应变场和温度场分布状况影响模拟图，选取充填饱满，应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的坯料尺寸为最优的钛合金坯料结构尺寸；
步骤四、运用所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，以所述最优的钛合金坯料结构尺寸作为钛合金整体叶盘锻坯，在不同锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下进行数值模拟，分别得到所述锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下预锻件和终锻件的应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图；
对比分析所述的预锻件和终锻件应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图，选取应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的工艺参数为最优的等温锻造的工艺参数。
实验例：如图1-5所示，以TC17合金为例，包括如下步骤：
(1)利用UG绘图软件建立TC17钛合金整体叶盘等温锻造过程中模具和锻造坯料的几何模型，参见附图1，附图1中：(1)为预锻模具上模模型；(2)为坯料模型；(3)为预锻模具下模模型；(4)终锻模具上模模型；(5)预锻件模型；(6)终锻模具下模模型；(7)终锻件模型。
(2)在Johnson-Cook型方程的基础上，考虑材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立不同组成相对材料流动应力影响的本构模型。
(3)基于TC17合金热模拟压缩时不同变形工艺参数下的真应力-应变曲线，即得到钛合金流动应力的试验值，以钛合金流动应力试验值与所述本构模型流动应力计算值的残差作为目标函数，采用遗传算法优化本构模型中的材料参数，优化后的材料参数参见表1，优化后对TC17钛合金的本构模型进行可靠性验证，参见附图2，附图2中，图(a)和(b)分别为变形温度1063K和1123K下TC17合金本构模型流动应力计算值与试验值的比较示意图。
表1 TC17合金高温变形时本构模型中的材料参数
(4)采用Absoft Pro Fortran14.0编译器软件打开Deform10.2安装文件夹中DEF_SIM目录下的usr_mtr文件，使用Fortran语言环境设置好本构模型中相应的材料参数值，将本构模型表达式、流动应力对应变的导数表达式以及流动应力对应变速率的导数表达式编写入子程序文件中；采用Absoft Pro Fortran14.0编译器软件打开DEF_SIM目录下的DEF_SIM_USR_Absoftv110.atools文件，根据所编写好的usr_mtr文件生成新的求解方程DEF_SIM.exe；将所生成的DEF_SIM.exe求解方程替换位于Deform10.2安装目录下原始文件，重新运行Deform-3D软件，即可完成求解方程的替换。运行Deform10.2有限元软件，在前处理模块中选择USRMTR子程序中相应的UFLOW程序入口。
(5)在PROPERTY模块中设置锻件材料为TC17合金，密度为4680kg·m-3，比热容与导热系数均为温度的函数，模具材料为4Cr5MoSiV热作模具钢，锻造过程中坯料与周围空气间的对流换热系数为20W·m-2·K-1，坯料与模具接触面的换热系数为5000W·m-2·K-1，在MESH模块中对各个部件进行网格划分，网格类型选择为DCAX4(四节点轴对称热传递单元)，建立塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，基于步骤(4)处理模块中UFLOW二次开发环境，采用Fortran语言进行本构模型编译。
(6)针对不同尺寸坯料的预锻和终锻过程进行数值模拟研究，对比分析其材料充填性、应力场、应变场和温度场的分布状况，图3为坯料预锻和终锻后材料充填情况的示意图，根据TC17合金整体叶盘预锻和终锻后局部区域材料充填性的分析，优选出合适的坯料尺寸，图3中(a)、(c)分别为坯料直径360mm和430mm时材料预锻充填性示意图，(b)、(d)分别为坯料直径360mm和430mm时材料终锻充填性示意图；
以优选出的坯料结构尺寸作为锻坯，研究不同锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子对TC17合金整体叶盘预锻和终锻过程中材料充填性、应力场、应变场和温度场的影响规律。
图4为预锻后整体叶盘应力场、应变场和温度场的分布示意图，图中，(a1)为预锻压下量为12mm时对预锻件应变场的分布影响示意图；(a2)为预锻压下量为42mm时对预锻件应变场的分布影响示意图；(b1)为锻造温度780℃对应力场的分布影响示意图；(b2)为锻造温度810℃对应力场的分布影响示意图；(c1)为锻造速度为0.05mm/s对温度场的分布影响示意图；(c2)为锻造速度为5mm/s对温度场的分布影响示意图；
图5为终锻后整体叶盘应力场、应变场和温度场的分布示意图，图中，(a1)为终锻压下量为16mm时对终锻件应变场的分布影响示意图；(a2)为终锻压下量为54mm时对终锻件应变场的分布影响示意图；(b1)为锻造温度780℃对应力场的分布影响示意图；(b2)为锻造温度810℃对应力场的分布影响示意图；(c1)为锻造速度为0.05mm/s对温度场的分布影响示意图；(c2)为锻造速度为5mm/s对温度场的分布影响示意图；
对比分析不同工艺参数下的TC17合金整体叶盘等温锻造成形规律，选取应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的工艺参数为最优的等温锻造的工艺参数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，包括：
步骤一、综合考虑所述钛合金材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立所述钛合金不同组成相对流动应力影响的本构模型；
步骤二、根据试验获得不同工艺参数下钛合金流动应力的试验值，以钛合金流动应力试验值与所述本构模型流动应力计算值的残差作为目标函数，采用遗传算法优化技术求解得到所述本构模型的材料参数值；
步骤三、建立所述钛合金整体叶盘等温预锻和终锻过程中的模具和锻坯的几何模型，确定所述几何模型的复杂约束边界条件和网格类型，并结合本构模型求解方程形成了用于钛合金整体叶盘等温锻造过程数值模拟的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，并通过所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统对不同坯料的预锻和终锻过程进行数值模拟，得到不同坯料下预锻件和终锻件充填性、应力场、应变场和温度场分布状况模拟图；
对比分析所述的充填性、应力场、应变场和温度场分布状况影响模拟图，选取充填饱满，应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的坯料尺寸为最优的钛合金坯料结构尺寸；
步骤四、运用所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，以所述最优的钛合金坯料结构尺寸作为钛合金整体叶盘锻坯，在不同锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下进行数值模拟，分别得到所述锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下预锻件和终锻件的应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图；
对比分析所述的预锻件和终锻件应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图，选取应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的工艺参数为最优的等温锻造的工艺参数。
2.如权利要求1所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，步骤一中所述建立的钛合金材料流动应力本构模型具体为：
式中，σ为流动应力(MPa)，σ0为高温变形过程中的屈服应力(MPa)，ε为应变，aα和aβ分别为α相和β相的应变硬化指数，所述钛合金的α相为密排六方结构，对应的变硬化指数aα＝2，所述钛合金的β相为体心立方结构，对应的变硬化指数aβ＝1；Tsus为相转变温度，单位为K；W为材料的动态软化体积分数；σs为稳态应力，单位为MPa；Q为表观变形热激活能，单位为kJ·mol-1；R为普适气体常数8.3145J·mol-1·K-1；T为绝对变形温度，单位为K；为应变速率，单位为s-1；/>为参考应变速率，单位为s-1；TR为参考变形温度，单位为K；/>为α相体积分数，TM为材料熔点，单位为K；式中的Bα、nα、Bβ、nβ、w、R1、S、n、p、c、k、m和j均为材料参数，应变速率敏感项/>采用反双曲正弦函数形式。
3.如权利要求1所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，步骤一中所述建立的钛合金材料流动应力本构模型是在Johnson-Cook型方程的基础上得到的。
4.如权利要求1所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，步骤二中所述的残差计算公式为：
式中，f(x)为所述流动应力试验值与本构模型的流动应力计算值的残差，x(x＝x1，x2，……，xs)为所述的材料参数，s为需要确定的材料参数个数，为在应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力计算值，单位为MPa；/>为应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力试验值，单位为MPa；m1为在变形温度为k，应变速率为j时所测流动应力的组数，n1为所取应变速率组数，l1为所取变形温度组数。
5.如权利要求1所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，在所述的步骤三中所述的本构模型求解方程是指以所述本构模型表达式、本构模型中流动应力对应变的导数以及所述流动应力对应变速率的导数表达式生成的求解方程。
6.如权利要求1-5所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，所述的钛合金是TC4或TC17合金。
CN202210558546.3A 2022-05-20 2022-05-20 钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法 Active CN114818437B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210558546.3A CN114818437B (zh) 2022-05-20 2022-05-20 钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210558546.3A CN114818437B (zh) 2022-05-20 2022-05-20 钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114818437A CN114818437A (zh) 2022-07-29
CN114818437B true CN114818437B (zh) 2024-02-27

Family

ID=82518234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210558546.3A Active CN114818437B (zh) 2022-05-20 2022-05-20 钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114818437B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117034474B (zh) * 2023-06-12 2024-03-22 湖北三环锻造有限公司 一种基于等温面法的预锻模快速设计与优化方法
CN117352109B (zh) * 2023-12-04 2024-03-08 宝鸡富士特钛业（集团）有限公司 应用于钛合金锻造的虚拟建模方法、装置、设备、介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104504185A (zh) * 2014-12-10 2015-04-08 西北工业大学 一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法
CN112948986A (zh) * 2019-12-11 2021-06-11 宝武特种冶金有限公司 结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法
CN113591341A (zh) * 2021-06-25 2021-11-02 西部超导材料科技股份有限公司 一种基于数值模拟的钛合金锻造工艺优化方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130289953A1 (en) * 2012-01-24 2013-10-31 The University Of Akron Self-optimizing, inverse analysis method for parameter identification of nonlinear material constitutive models

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104504185A (zh) * 2014-12-10 2015-04-08 西北工业大学 一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法
CN112948986A (zh) * 2019-12-11 2021-06-11 宝武特种冶金有限公司 结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法
CN113591341A (zh) * 2021-06-25 2021-11-02 西部超导材料科技股份有限公司 一种基于数值模拟的钛合金锻造工艺优化方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TC17合金整体叶盘等温锻造过程数值模拟及工艺参数影响;王波伟;唐军;曾卫东;张帅;秦卫东;;锻压技术;20170625(第06期);全文 *
TC4钛合金锻件锻造过程三维热力耦合有限元模拟;吕成;张立文;牟正君;裴继斌;;锻压技术;20070225(第01期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114818437A (zh) 2022-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114818437B (zh) 钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法
Wan et al. Research on hot deformation behavior of Zr-4 alloy based on PSO-BP artificial neural network
CN108062427B (zh) 基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法
US8437991B2 (en) Systems and methods for predicting heat transfer coefficients during quenching
Heng et al. Springback law of thin-walled 6061-T4 Al-alloy tube upon bending
CN112464533A (zh) 基于预制坯和锻造全过程数值仿真的涡轮盘渐变组织调控方法
Yu et al. Application of four different models for predicting the high-temperature flow behavior of TG6 titanium alloy
Luo et al. Effects of process parameters on deformation and temperature uniformity of forged Ti-6Al-4V turbine blade
CN115015318B (zh) 一种大型构件热锻全流程宏微观分析方法及平台
CN109676001B (zh) 一种成形制备铝合金构件产品的方法
CN109145510B (zh) 一种钛合金缺陷数据修正方法
Ren et al. Control of dimensional accuracy of hollow turbine blades during investment casting
CN111444619B (zh) 一种注塑模具冷却系统在线分析方法及设备
CN113343515B (zh) 一种小口径玻璃镜片精密热压成型模具轮廓偏移补偿方法
Zhao et al. Evolution analysis of process-induced residual stress during the manufacture of diesel engine block
Li et al. Deformation behavior of powder metallurgy connecting rod preform during Hot forging based on Hot compression and finite element method simulation
Srinivasan et al. CAE for forging of titanium alloy aero-engine disc and integration with CAD–CAM for fabrication of the dies
CN114329837A (zh) 一种数控机床主轴热误差建模及加工精度可靠性分析方法
CN113722991B (zh) 一种用于激光直接沉积仿真的热源参数反向识别方法
Basic et al. Numerical simulation of hot forging process in production of axisymmetric automobile parts
Lv et al. Research on the evolution of residual stresses in the manufacturing process of TC4 alloy profile rolled ring
Zhang et al. Finite element simulation of aluminum alloy cross valve forming by multi-way loading
Chen et al. A Comparative Study on Constitutive Modeling for Flow Behavior of Ultra-Supercritical Steel at High Temperature
Shang et al. Flow behavior modeling of a nitrogen-alloyed ultralow carbon stainless steel during hot deformation: a comparative study of constitutive models
Wu et al. A blank design optimization method of near-net ring rolling for complex stepped-section profile ring

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant