一种结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法技术

本发明专利技术属于材料科学与塑性加工领域，具体涉及一种结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法。该方法根据高温钛合金实际锻造工艺规程，制定相应模拟测试方案；展开数值模拟，分析确定开坯锻造、镦拔各道次后，找出容易开裂、需要优化的关键区域；根据不同目标区域特征，制定具有不同表面的锤头进行锤击的模拟方案，并展开数值模拟；对比原工艺模拟，评估表面锤击后，目标区域是否缓解拉应力或者损伤情况；迭代模拟优化表面锤击工艺，最终优化的方案进行锤击。本发明专利技术解决高温钛合金等难变形材料锻造过程中表面易开裂导致成材率低，因排伤中断锻造过程使加工周期大幅度延长，以及由于热加工路径改变引起的组织恶化等问题。于热加工路径改变引起的组织恶化等问题。于热加工路径改变引起的组织恶化等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法


[0001]本专利技术属于材料科学与塑性加工领域，具体涉及一种结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，特别是涉及钛合金等锻造工艺中开裂敏感性高的工艺优化方法。

技术介绍

[0002]钛合金各向异性强，其高温锻造中存在锻造温度区间窄，合金开裂敏感性高，易产生表面裂纹等问题，尤其是高温钛合金等难变形合金材料该问题更为突出。这些合金锻造产生的表面裂纹问题，在实际生产中需要中断锻造过程进行表面清伤，由于增加了清伤工序，冷却大铸锭时间长、打磨时间长、再加热时间长，显著延长生产时间；由于清伤和掐头去尾工艺，大幅度降低了钛合金锻造生产的成材率，常常使合金成材率降低至70％～80％、对于新型高温钛合金甚至只有50～60％；同时由于长时间冷却及再加热，使合金的热历史显著改变，导致组织恶化，降低坯料整体组织均匀性，进而影响后续服役材料性能，尤其是高温持久、蠕变、保载疲劳等关键性能。因此钛合金高温锻造中表面开裂的问题一直是工艺设计的严重制约性问题。为减少钛合金表面开裂，几十年来已积累了一些不同的技术方法，主要包含：(1)合金锻造中坯料表面包覆保温石棉工艺等减少表面温降方法；(2)表面涂覆玻璃润滑剂等降低坯料同模具摩擦力、减少直接接触传热和防氧化的方法；(3)结合有限元模拟分析，在原工艺方案上调整变形工艺参数，降低表面开裂倾向。钛合金锻造中的表面开裂主要原因包含合金各向异性强、塑性差、热传导率低、表面温降过快，导致形成局域相对高拉应力区或高损伤区等，上述技术手段考虑了部分原因，并在一定程度上解决了钛合金表面开裂的整体倾向问题，然而实际合金锻造中表面开裂往往具备局域性特征，仍需停止锻造过程进行清伤，因而对局部易开裂区域采用合适的方法进行抑制很有必要。针对高温钛合金锻造中表面开裂整体倾向性和局部化特征问题，本专利技术提供了一种基于有限元模拟和实验分析，通过锤击抑制高温钛合金锻造开裂的方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提出一种结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，该方法结合有限元模拟和实验分析，通过锤击抑制高温钛合金锻造开裂，可以显著降低高温钛合金锻造中表面开裂整体倾向性和局部开裂程度，大幅度提升热加工效率和成材率。
[0004]为了解决上述钛合金锻造过程中的铸锭开裂问题，本专利技术的技术方案为：
[0005]一种结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，结合高温钛合金实际工艺和数值模拟预测，在锻造过程中选择特定目标区域及时刻，对铸锭进行表面锤击，抑制表面开裂，并包含以下步骤：
[0006](1)根据高温钛合金实际锻造工艺规程，制定相应模拟测试方案；
[0007](2)展开有限元数值模拟，分析确定镦拔各道次后需要优化的目标区域；
[0008](3)根据不同目标区域特征，制定不同的表面锤击模拟方案，并展开数值模拟；
[0009](4)对比原工艺模拟，评估表面锤击后，目标区域是否引入压力或者缓解损伤情况；
[0010](5)多次迭代优化表面锤击模拟方案，确认优化的工艺方案。
[0011]所述的结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，步骤(1)中，高温钛合金实际锻造工艺规程包含开坯、镦粗、拔长四方和拔长八方；模拟测试方案尽量还原实际工艺中具体参数，包含：变形温度、变形速度、变形量、各拔长道次、拔长锤间距和坯料翻转形式。
[0012]所述的结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，步骤(2)中，基于原工艺进行的有限元数值模拟，主要选择目标区域包含表面高损伤或拉应力特征区域，并确定目标区域的形成关键时间段。
[0013]所述的结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，在有限元数值模拟中，采用温度和摩擦修正优化的合金本构模型。
[0014]所述的结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，步骤(3)中，根据镦拔工艺中常见的目标区域及形成时间段，选择表面锤击模拟方案主要包含：(1)镦粗后，侧表面中间鼓肚微滚压；(2)拔长四方和拔长八方道次中，根据模拟结果，选择1～3个道次结束后，进行侧表面高拉应力区域锤击；(3)拔长结束后，先对局域高拉应力区域锤击，然后对侧表面微滚压，平整表面，最后轴向微镦。
[0015]所述的结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，步骤(4)中，对不同目标区域及形成时间选用的表面锤击模拟方案，对比分析是否减小拉应力或者降低损伤值。
[0016]所述的结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，步骤(5)中，根据合金实际工艺窗口和关键道次要求，对多种目标区域的表面锤击模拟方案组合型选择及参数微调，迭代优化可行性方案，并展开验证评估。
[0017]本专利技术的设计思想是：
[0018]由于钛合金与其它材料相比，锻造中易发生表面开裂，特别是高温钛合金等难变形合金，其直接原因一般认为是由于该型合金塑性差、热传导率低、表面温降过快等，而从塑性加工力学角度考察，表面开裂的受力特征是局部形成较高的拉应力集中，或塑性累计损伤值较大。其它工业生产中，制备时常见的表面开裂有铸造后、热处理后、塑性加工后等，为避免上述开裂，实际中采用合理的浇筑系统设计、改进热加工和热处理工艺等。而对于使役过程中的疲劳等开裂问题，其它工业生产中提高合金表面服役性能的方法，常用的表面改性方法包括表面喷丸、喷砂、表面超声滚压等，都是通过表面增强，以及将原有表面拉应力形式转换为压应力形式，其作用深度一般为微米级
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毫米级深度，从而可以抑制使役过程中的表面开裂。实际的高温钛合金锻造过程中，锻造工艺窗口很窄，且表面开裂具有局部化的特征，常用钛合金锻造表面保温等处理方法和基于模拟的工艺优化方法，并未针对表面开裂局部化特征进行受力特征转换。因此，本方法设计中相比传统钛合金的抑制锻造开裂的方法具有很强的独创性，根据模拟和实验分析，有针对性地通过精细化控制的表面锤击，实现表面开裂的抑制。
[0019]本专利技术的优点及有益效果是：
[0020]本专利技术提出的结合有限元模拟和实验分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，基于实验提供的基本工艺信息、实际开裂情况，开展对比性有限元模拟分析，确定目标特征区域和表面锤击改性方法，该方法可为钛合金锻造中抑制表面开裂整体和局域倾向性提供一种技术路径，可有利于大幅度提高钛合金锻造成材率、降低加工周期、提升坯料整体微观组织及性能。
附图说明
[0021]图1为合金高温锻造工艺流程示意图。
[0022]图2为某高温钛合金锻造后切去端头后的裂纹，可见残余的裂纹仍可达5厘米深。
[0023]图3为合金锻造工艺过程中应力和损伤云图。其中，(a1,b1,c1,d1)最大主应力，(a2,b2,c2,d2)损伤因子，(a1,a2)β相区开坯锻造后，(b1,b2)镦粗后，(c1,c2)四方拔长，(d1,d2)八方拔长后。
[0024]图4为有限元模拟得到的合金表面锤击改进后的应力云图。其中，(a1,b1,c1)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，其特征在于，结合高温钛合金实际工艺和数值模拟预测，在锻造过程中选择特定目标区域及时刻，对铸锭进行表面锤击，抑制表面开裂，并包含以下步骤：(1)根据高温钛合金实际锻造工艺规程，制定相应模拟测试方案；(2)展开有限元数值模拟，分析确定镦拔各道次后需要优化的目标区域；(3)根据不同目标区域特征，制定不同的表面锤击模拟方案，并展开数值模拟；(4)对比原工艺模拟，评估表面锤击后，目标区域是否引入压力或者缓解损伤情况；(5)多次迭代优化表面锤击模拟方案，确认优化的工艺方案。2.按照权利要求1所述的结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，其特征在于，步骤(1)中，高温钛合金实际锻造工艺规程包含开坯、镦粗、拔长四方和拔长八方；模拟测试方案尽量还原实际工艺中具体参数，包含：变形温度、变形速度、变形量、各拔长道次、拔长锤间距和坯料翻转形式。3.按照权利要求1所述的结合有限元模拟分析抑制高温钛合金锻造开裂的方法，其特征在于，步骤(2)中，基于原工艺进行的有限元数值模拟，主要选择目标区域包含表面高损伤或拉应力特征区域，并确定目...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学雄，徐东生，赵子博，张金虎，高立强，孟智超，关少轩，王清江，杨锐，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：