耦合晶粒尺寸的钛合金压力连接界面连接率预测方法技术

本发明专利技术公开了一种耦合晶粒尺寸的钛合金压力连接界面连接率预测方法，用于解决现有方法无法实现不同晶粒尺寸钛合金界面连接率预测的技术问题。技术方案是首先简化空洞几何形状；确定材料和连接工艺参数、空洞形状参数、晶粒尺寸和时间间隔；根据蠕变机制动力学条件，基于耦合晶粒尺寸的塑性变形和稳态蠕变本构关系，采用片层分割法，分别计算时间间隔内塑性变形和蠕变机制作用下的界面连接长度增量；根据表面源机制动力学条件，分别计算时间间隔内界面源和表面源机制作用下的界面连接长度增量；通过四阶Runge‑Kutta迭代方法计算总界面连接长度增量；计算界面连接率。实现了不同晶粒尺寸钛合金在不同连接工艺参数下的界面连接率的预测。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，用于解决现有方法无法实现不同晶粒尺寸钛合金界面连接率预测的技术问题。技术方案是首先简化空洞几何形状；确定材料和连接工艺参数、空洞形状参数、晶粒尺寸和时间间隔；根据蠕变机制动力学条件，基于耦合晶粒尺寸的塑性变形和稳态蠕变本构关系，采用片层分割法，分别计算时间间隔内塑性变形和蠕变机制作用下的界面连接长度增量；根据表面源机制动力学条件，分别计算时间间隔内界面源和表面源机制作用下的界面连接长度增量；通过四阶Runge-Kutta迭代方法计算总界面连接长度增量；计算界面连接率。实现了不同晶粒尺寸钛合金在不同连接工艺参数下的界面连接率的预测。【专利说明】閒合晶粒尺寸的铁合金压力连接界面连接率预测方法
本专利技术涉及一种铁合金压力连接界面连接率预测方法，特别是涉及一种禪合晶粒 尺寸的铁合金压力连接界面连接率预测方法。
技术介绍
压力连接是适合于铁合金连接的理想方法之一，压力连接方法可W获得与铁合金 基体的微观组织与力学性能接近甚至一致的连接接头，同时适用于大截面和复杂内部结构 的连接，广泛用于制造空也叶片等航空航天用轻量化构件。 进行精密加工后的铁合金连接表面微观上凹凸不平，压力连接过程中在连接界面 上形成微观空洞。实现微观空洞闭合，从而获得高的界面连接率是形成高质量冶金接头的 前提和关键。在实际生产中，铁合金压力连接界面空洞闭合和界面连接率的调控通常依赖 于试验与经验，消耗了大量的人力物力，使得生产周期延长，成本增加。 近年来，基于对空洞闭合过程的深刻认识，许多学者提出了多种界面连接率预测 方法，提高了生产效率，节约了成本。 文献 1 "B. Derby, E. R. Wallach, Theoretical model for diffusion bonding, Metal Science, 1982,16 ;49-56"公开了一种基于塑性变形机制、蠕变机制、表面源机制和 界面源机制的界面连接率预测方法，但其只考虑了不同工艺参数对界面连接率的影响，并 未考虑材料晶粒尺寸对界面连接率的影响。 文献2 "马瑞芳，李寐泉，李宏，于卫新，基于金属扩散连接机制动力学条件的空洞 闭合模型，中国科学：技术科学，2012,42巧）；1081-1091"公开了一种基于各作用机制动力 学条件的界面连接率预测方法，该方法准确反映了各种连接机制的作用范围，提高了界面 连接率的预测精度，但是无法预测材料初始晶粒尺寸对界面连接率的影响。而晶粒尺寸对 界面连接率影响显著。 文献3 "杨勇，周文龙，陈国清，马红军，韩秀全，李志强，细晶TC21合金超塑性扩 散连接的研究，制造技术研究，2009,3 ;8-13"公开了晶粒尺寸为2 y m、4 y m和7 y m的TC21 合金在给定连接工艺参数下的界面连接率分别为99. 5%、91. 8%和88. 7%。现有的预测方 法无法预测不同晶粒尺寸铁合金的界面连接率，导致其应用范围具有一定的局限性。
技术实现思路
为了克服现有方法无法实现不同晶粒尺寸铁合金界面连接率预测的不足，本专利技术 提供一种禪合晶粒尺寸的铁合金压力连接界面连接率预测方法。该方法首先简化空洞几何 形状；确定材料和连接工艺参数、空洞形状参数、晶粒尺寸和时间间隔；根据塑性变形和蠕 变机制动力学条件，基于禪合晶粒尺寸的塑性变形和稳态蠕变本构关系，采用片层分割法， 分别计算时间间隔内塑性变形和蠕变机制作用下的界面连接长度增量；根据界面源和表 面源机制动力学条件，分别计算时间间隔内界面源和表面源机制作用下的界面连接长度增 量；通过四阶Runge-Kutta迭代方法计算总的界面连接长度增量；计算界面连接率。与现有 技术相比，本专利技术可w实现不同晶粒尺寸铁合金在不同连接工艺参数下的界面连接率的准 确预测。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是；一种禪合晶粒尺寸的铁合金压力连 接界面连接率预测方法，其特点是采用W下步骤： 步骤一、将初始空洞形状简化为楠圆形； 步骤二、选取具有不同晶粒尺寸的TC4合金进行压力连接，晶粒尺寸分别为 8. 2 y m、9. 8 y m、12. 5 y m和16. 4 y m，连接工艺参数为：连接温度850°C，连接压力30MPa，连 接时间lOmin。采用1000#砂纸打磨后连接表面粗趟度为R,= 0. 2811111，1?；^。=5.40^111，初 始空洞形状参数 h〇= 2尺。=0. 76]im，〇。= R ；^。/2 = 2. 70]im。t' = Os,时间间隔 5 t = Is。 步骤H、基于禪合晶粒尺寸的塑性变形本构关系和塑性变形机制作用动力学条 件，采用片层分割法，计算时间间隔5 t内塑性变形机制作用下的界面连接长度增量61，具 体计算方法如下： 假设连接界面处变形为平面应变，得到等效应变速率;等效应力 订。采用W下禪合晶粒尺寸的塑性变形本构关系表征不同晶粒尺寸铁合金在压力 2 - 连接过程中等效应力和等效应变速率的关系： 【权利要求】1. 一种，其特征在于包括以下步 骤： 步骤一、将初始空洞形状简化为椭圆形； 步骤二、选取具有不同晶粒尺寸的TC4合金进行压力连接，晶粒尺寸分别为8. 2ym、 9. 8iim、12. 5iim和16. 4iim，连接工艺参数为：连接温度850°C，连接压力30MPa，连接时间 IOmin;采用1000#砂纸打磨后连接表面粗糙度为Ra= 0? 28iim，RAq= 5. 40iim，初始空洞 形状参数h。= 2Ra= 0? 76iim,c。=R人/2 = 2. 70iim;t' =Os,时间间隔 5t=Is; 步骤三、基于耦合晶粒尺寸的塑性变形本构关系和塑性变形机制作用动力学条件，采 用片层分割法，计算时间间隔St内塑性变形机制作用下的界面连接长度增量^，具体计算 方法如下：式中：T为钛合金的剪切应力，单位MPa;T。和Te分别为a和P相的剪切应 力，单位10^;^、心分别为〇和3相的体积分数，1+心=1;111、11 2为修正系数；<. 和4分别为a和P相的临界应力，单位MPa ;T为连接温度，单位K ;R为气体常量，单位 8. 3145^1110^ .『SAG。和AG0为a和@相的表观变形激活能，单位kj.mor1;户为 剪切应变速率，单位s' 和为OK时a和0相的剪切应变速率，单位s'ii为依赖于 温度的剪切模量，单位GPa ; P为位错密度，单位CnT2;々为位错密度变化率，单位CnT2 b为柏氏矢量，单位m;d为晶粒尺寸，单位为晶粒尺寸变化率，单位4为等 效应变速率，单位s'〇e为等效应力，单位MPa ;Q dm为位错运动激活能，单位20kJ?mol一1; Qpd为晶界扩散激活能，单位 677. 37kJ^mol 为Taylor因子；qa、pa、qe、Pe、a、k、s、Ii。、 Tr、apa2、旦〇、旦p旦2、y〇、YpY2为材料参数； 根据以上塑性变形本构关系得到TC4合金在不同连接工艺参数和晶粒尺寸下的流动 应力；取0. 2%残余变形下的流动应力作为TC4合金在连接工艺参数和晶粒尺寸下的屈服 强度〇yield;根据滑移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合晶粒尺寸的钛合金压力连接界面连接率预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将初始空洞形状简化为椭圆形；步骤二、选取具有不同晶粒尺寸的TC4合金进行压力连接，晶粒尺寸分别为8.2μm、9.8μm、12.5μm和16.4μm，连接工艺参数为：连接温度850℃，连接压力30MPa，连接时间10min；采用1000#砂纸打磨后连接表面粗糙度为Ra＝0.28μm，Rλq＝5.40μm，初始空洞形状参数h0＝2Ra＝0.76μm，c0＝Rλq/2＝2.70μm；t′＝0s，时间间隔δt＝1s；步骤三、基于耦合晶粒尺寸的塑性变形本构关系和塑性变形机制作用动力学条件，采用片层分割法，计算时间间隔δt内塑性变形机制作用下的界面连接长度增量e1，具体计算方法如下：假设连接界面处变形为平面应变，得到等效应变速率等效应力采用以下耦合晶粒尺寸的塑性变形本构关系表征不同晶粒尺寸钛合金在压力连接过程中等效应力和等效应变速率的关系：τ=n1fατα+n2fβτβτα=τα0[1-(RTΔGαlnγ·α0γ·)1/qα]1/pα+aμbρ+kd-1/2τβ=τβ0[1-(RTΔGβlnγ·β0γ·)1/qβ]1/pβμ=μ0-sexp(Tr/T)-1ρ·=α1ρ|ϵ·e|-α2eQdmRTρd·=β0d-γ0T-1eQpdRT+β1|ϵ·e|d-γ1β2ρ·γ2dσe=Mτγ·=Mϵ·e]]>式中：τ为钛合金的剪切应力，单位MPa；τα和τβ分别为α和β相的剪切应力，单位MPa；fα、fβ分别为α和β相的体积分数，fα+fβ＝1；n1、n2为修正系数；和分别为α和β相的临界应力，单位MPa；T为连接温度，单位K；R为气体常量，单位8.3145J·mol‑1·K‑1；△Gα和ΔGβ为α和β相的表观变形激活能，单位kJ·mol‑1；为剪切应变速率，单位s‑1；和为0K时α和β相的剪切应变速率，单位s‑1；μ为依赖于温度的剪切模量，单位GPa；ρ为位错密度，单位cm‑2；为位错密度变化率，单位cm‑2·s‑1；b为柏氏矢量，单位m；d为晶粒尺寸，单位μm；为晶粒尺寸变化率，单位μm·s‑1；为等效应变速率，单位s‑1；σe为等效应力，单位MPa；Qdm为位错运动激活能，单位20kJ·mol‑1；Qpd为晶界扩散激活能，单位677.37kJ·mol‑1；M为Taylor因子；qα、pα、qβ、pβ、a、k、s、μ0、Tr、α1、α2、β0、β1、β2、γ0、γ1、γ2为材料参数；根据以上塑性变形本构关系得到TC4合金在不同连接工艺参数和晶粒尺寸下的流动应力；取0.2％残余变形下的流动应力作为TC4合金在连接工艺参数和晶粒尺寸下的屈服强度σyield；根据滑移线场理论和Mises屈服准则，连接界面沿空洞颈部的应力分布为：σ(x)=2σyield3[1+ln(x-crA+1)](c≤x≤c+e)]]>式中，rA为空洞颈部曲率半径，单位μm；屈服状态下的连接界面接触平均应力为：σ‾=∫cc+eσ(x)dxe=2σyield3[1+rAe]ln(1+erA)]]>在连接压力下，连接界面接触应力为：σ′=pc0-γe]]>式中，p为连接压力，单位MPa；γ为表面能，单位J·m‑2；当时，塑性变形机制持续作用；而当时，应力状态不满足屈服条件，塑性变形机制停止作用；塑性变形机制作时，将空洞间的凸峰分割为平行于连接界面的N个片层，第i个片层的长度为沿x轴方向的应变速率第i个片层z方向上所受应力近似为：σiz≈pc0wi=pc0c0-c1-zi2h2]]>设t′时刻第i个片层的长度为wi(t′)，根据耦合晶粒尺寸的塑性变形本构关系计算一个时间步长δt变形后第i个片层的长度根据片层变形前后体积守...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏，李淼泉，张超，刘宏彬，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61