[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于钛合金热锻成形技术领域，具体地说，涉及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。

背景技术

航空发动机的研制是周期长，技术难度大的工程，其独立研制水平代表了各个国家航空工业的发展水平。因而，各国竞相发展高推重比的航空发动机，高推重比的实现，除具备先进的结构设计外，发动机材料的研制成为发动机的重中之重。钛及钛合金是一种重要的新型金属结构材料，具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好、耐高温的优点，己成为制备航空发动机机匣、叶盘和叶片关键零件的首选材料。然而，这类关键零件通常需要在热态下成形，且加工性差。在热变形时容易出现表面和内部开裂，需要耗费大量的时间打磨表面裂纹，导致产品的生产率和成品率下降，甚至影响产品质量，导致产品报废。因此，研究钛合金在热变形过程中的开裂机理以及通过开裂准则迅速且准确地预测可能出现的开裂行为，成为钛合金先进塑性成形技术发展迫切需要解决的瓶颈问题之一。

半个多世纪以来，国内外科学研究工作者提出了各种韧性断裂的开裂准则。韧性断裂准则应用于金属塑性成形有限元分析，大致可分为非耦合损伤准则和耦合损伤准则两大类；两类准则均是基于冷变形而建立的。现有公开的技术文献“一种测定Ti40钛合金热压缩过程中临界开裂新方法”(材料科学与工程,第553卷,2012年9月,)中提出了基于Zener-Hollomon因子的Ti40钛合金热变形开裂准则。所建立准则虽然已进行二次开发且成功嵌入到有限元模拟软件中，但未见运用该准则来系统分析钛合金开坯热变形开裂行为及优化其工艺参数，并未真正发挥建立热变形开裂准则的最终意义。因此，有效结合所建立的热变形开裂准则和有限元技术系统分析钛合金开坯的热变形工艺并优化其工艺参数，具有重要的工程应用价值。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出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，通过二次开发所建立的热变形开裂准则，并将其导入到Deform3D有限元软件中，实现钛合金开坯锻造工艺条件，即变形速度、变形量、型砧类别与进给量的优化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是: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，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定钛合金试样形状及尺寸，在Gleeble3500热模拟试验机上进行热模拟压缩试验，并采用两台Phantom V711高速摄影仪分别放置于压缩仓可视窗口的两侧进行观测，获取热压缩过程合金表面裂纹的起始与扩展的影像文件，以及试验材料的流动应力应变数据建立材料的本构关系；

步骤2.根据热压缩试验所获得的应力应变数据，采用数值计算方法计算合金的热变形激活能Q，基于变形温度T和应变速率计算Zener-Hollomon因子，按以下公式:

Z=ϵ·×exp(Q/RT)]]>

式中，R为摩尔气体常数；

步骤3.基于所记录的热压缩整个过程合金表面裂纹起始与扩展的影像文件，采用Image-Pro Plus 5.0图像分析软件，对图像进行分帧处理，确立合金临界开裂点，最终采用Image-Pro Plus 5.0图像分析软件对临界开裂图像进行临界开裂变形量的计算；

步骤4.采用金相显微镜、扫描电镜和投射电镜对热压缩后的试样表面宏观裂纹以及内部裂纹进行观察和分析，研究合金的热变形开裂方式以及开裂机制，确立合金开裂诱发应力；

步骤5.基于高速摄影技术测定的临界开裂变形量与计算所得Z因子，通过拟合方式建立可考虑变形温度和应变速率的临界损伤变量描述模型；