Ti-43Al-9V-1Y合金蜂窝结构预置空位拉制成形及组织性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangjianwu2008
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TiAl基合金具有比强度高,抗氧化和抗腐蚀,以及优良的抗蠕变性能等优点,采用TiAl基合金成形的蜂窝结构能进一步减轻高温构件的重量,提高构件结构强度,使其成为航天领域最具有应用前景的耐高温轻质结构之一。由于国内TiAl基合金板材制备困难,且成形性能较差,难以采用传统成形方法制造TiAl基合金蜂窝结构。鉴于此,本文提出了采用拉制成形方法制造TiAl基合金平面/曲面蜂窝结构新工艺。通过小尺寸板材的拉制成形获得大尺寸蜂窝结构,这对于解决TiAl基合金大尺寸轻量化结构制造的问题具有重要意义,为难变形合金蜂窝结构的制造提供了依据。首先通过ANSYS软件对不同空位尺寸板料的变形过程进行有限元分析,探究拉制成形过程中空位尺寸和分布对板料整体形状变化的影响规律。结果显示,随着空位长度增加,变形后空位形状更加均匀,最大拉应变位置由空位交叉处转移到空位圆角处,拉制成形性能更加优良;随着宽度的增加,变形后空位形状逐渐趋于圆形,且蜂窝单元变形趋于不均匀化。综上,确定了预置空位最佳长宽比为7.5。在此基础上,进行5083铝合金拉制成形验证性试验,发现在板料上端空位圆角处拉应变最大,并且发生开裂。通过优化板料外边缘,增加圆弧,能有效的避免空位圆角处开裂,增加板料拉制成形伸长量。曲面蜂窝结构拉制成形数值模拟及验证性试验显示,采用正方形板料能解决变形过程板料横向和纵向变形不均的问题,获得更好的成形效果。采用预合金粉末热压烧结工艺制备Ti-43Al-9V-1Y(at%)合金。实验结果显示,粉末粒径呈正态分布并且不同粒径的粉末微观组织不同。在烧结温度1150°C,烧结压力30MPa,保温时间2h条件下对Ti-43Al-9V-1Y(at%)预合金粉末进行热压烧结,得到的合金组织细小均匀。合金XRD结果表明,主要相组成为γ相,β/B2相,少量YAl2相。Ti-43Al-9V-1Y(at%)合金的高温拉伸实验结果表明,随着应变速率的降低及变形温度的提高,合金延伸率显著提高,在990°C,应变速率1×10-3s-1条件下,延伸率达到100%。高温拉伸断口观察显示,试样发生断裂主要由原始粉末边界缺陷导致,由于烧结温度较低,烧结压力较小以及粉末颗粒大小不均导致粉末界面之间强度较低,变形过程容易产生裂纹源,导致断裂。在温度为990°C,应变速率为1×10-3s-1条件下进行Ti-43Al-9V-1Y(at%)合金平面蜂窝结构拉制成形实验,板料伸长率达到112%。合金在该温度及应变速率下塑性较好,整个板料的宏观变形是由各个空位小变形累积形成,拉制成形的零件中没有产生裂纹。同样的变形条件下进行的Ti-43Al-9V-1Y(at%)合金曲面蜂窝结构拉制成形实验结果表明,曲面蜂窝结构成形良好,成形深度达到14mm。最后采用TiCuNi钎料对Ti-43Al-9V-1Y(at%)合金平面拉制成形的蜂窝结构板料进行钎焊,得到的焊缝界面较好,没有明显缺陷。
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