FGH4097合金热等静压成形数值模拟北大核心CSCD

基于连续介质理论,应用Shima模型描述FGH4097合金粉末热等静压的致密化变形规律,采用有限元分析软件MSC.marc对装FGH4097合金粉末圆柱包套的热等静压过程进行了数值模拟和试验验证,分析了包套的变形规律以及温度场对坯料致密化过程的影响。结果表明:在热等静压过程中,Shima模型对描述FGH4097合金粉末的致密化过程具有较高的精度,圆柱包套的数值模拟结果和试验结果的尺寸误差控制在2%以内;包套的厚度以及边角效应对热等静压过程中坯料的收缩变形有着显著的影响;热等静压过程中坯料内温度梯度所导致的应力状态差异使得坯料的收缩偏离各向同性。     

基于Ti-6Al-4V的热等静压与温压成形数值模拟对比研究

为对比研究钛合金的热等静压和温压成形工艺特点,以典型圆柱件成形为例,采用MSC.MARC软件,选取了Shima模型嵌入Ti-6Al-4V材料模型进行数值模拟。通过分析两种工艺过程中粉末体的流动情况和致密度分布,得出粉末体的热等静压是一个先向外膨胀再向中心收缩,最终达到全致密的过程,致密度分布均匀;而温压成形是沿着冲头方向直接进行收缩,致密度不高并存在明显的梯度现象。通过两种成形特点的对比,能分别预测成形方法的变形以及指导两种成形方法的选取。     

基于Ti-6Al-4V的热等静压与温压成形数值模拟对比研究

为对比研究钛合金的热等静压和温压成形工艺特点,以典型圆柱件成形为例,采用MSC.MARC软件,选取了Shima模型嵌入Ti-6Al-4V材料模型进行数值模拟.通过分析两种工艺过程中粉末体的流动情况和致密度分布,得出粉末体的热等静压是一个先向外膨胀再向中心收缩,最终达到全致密的过程,致密度分布均匀;而温压成形是沿着冲头方向直接进行收缩,致密度不高并存在明显的梯度现象.通过两种成形特点的对比,能分别预测成形方法的变形以及指导两种成形方法的选取.     

压力对CuCr25粉末热等静压致密化影响的数值模拟

基于孔隙材料连续介质力学和塑性变形理论,应用多孔材料椭球屈服Shima粘塑性本构模型,采用非线性分析软件MSC.MARC实现了Cu Cr25粉末HIP致密化过程有限元模拟。结果表明:压坯角落及端盖附近的相对密度较低,外侧靠近包套部分均匀性较差。热等静压保压压力小于130 MPa时,Cu Cr25压坯致密化速率、最终相对密度会随加压载荷的增加而提升;当保压压力大于130 MPa,Cu Cr25压坯相对密度基本不变。试验结果与模拟结果平均相对密度误差约为1.4%,表明有限元数值模拟准确预测了Cu Cr25粉末的致密化过程。     

包套设计对典型粉末钛合金拉伸性能的影响

采用热等静压工艺制备Ti-6Al-4V和Ti-60两种预合金粉末钛合金,研究两种不同包套形式对粉末合金拉伸性能的影响,采用SEM观察粉末合金的拉伸断口形貌,并利用MSC.Marc有限元分析软件对两种包套在热等静压过程中包套各部位的尺寸收缩进行模拟预测。结果表明:包套结构设计不合理时,焊缝在热等静压过程中存在泄漏的风险,进而会严重恶化粉末合金的性能;有限元模拟仿真可以辅助包套设计,提高效率,对制备粉末冶金近净成型构件有较为重要的工程应用意义。     

基于数值模拟和遗传算法的粉末材料参数反求

提出一种基于试验、有限元模拟以及优化算法的反向求解过程来得到2A12铝合金粉末材料本构参数的方法。利用热等静压机制备圆柱形试验件并获取测量参数,采用MSC.Marc软件中的Shima模型对2A12铝合金粉末热等静压成形过程进行数值模拟,再利用遗传算法(GA)对数值模拟中2A12铝合金粉末材料本构参数进行优化调整。结果表明,粉末体由于包套的屏蔽效应,各个方向上的收缩率有一定差异,成形零件的几何形状与最初并不相似;利用环形件进行模型验证,优化参数后进行数值模拟结果和实际测量结果的相对误差,与直接利用原始参数进行数值模拟结果和实际测量结果的相对误差相比,有明显降低。     

包套在铝合金粉末热等静压成形中的屏蔽效应及其对性能的影响

通过数值模拟和热等静压实验,研究包套在铝合金粉末热等静压成形过程的屏蔽效应及其对性能的影响,建立包套对等静压力屏蔽效应的关系公式。结果表明:包套对等静压力的屏蔽效应与包套的几何尺寸、壁厚、屈服强度有关系,包套越厚,其屏蔽效应越显著,降低热等静压过程中粉末颗粒重排阶段的致密化程度。由于包套的屏蔽,对于二元共晶和三元共晶的液相没有实现完全挤出,在粉末颗粒与颗粒交界处残留有没有被液相填充完全的孔隙,降低粉末件最终的致密度。当包套厚度较大时,降低了粉末铝合金材料的抗拉强度和屈服强度,而对材料塑性的影响不明显。     

粉末热等静压的离散元-有限元混合模拟

为了从微观角度仿真热等静压成形过程中粉末颗粒的变形情况,提出使用离散元和有限元混合方法建立热等静压成形的仿真模型。编写了粉末颗粒的随机填充算法,完成了包套内粉末颗粒的填充。使用上述模型,对包套内不同位置的粉末颗粒的变形情况、颗粒间孔隙消失的演化过程和成形后零件表面的形貌进行了仿真,并与已有试验结果进行了对比。仿真结果表明,包套中心的颗粒变形较小,大部分孔隙是在成形达到稳定状态之前消除的,热等静压成形零件的表面形貌主要是在达到稳定状态前形成的。离散元-有限元混合模拟可以反映热等静压成形中颗粒重排和塑性变形阶段的粉末颗粒变形。     

钛合金热等静压模拟本构关键参数确定及工艺优化

对钛合金粉末热等静压进行数值模拟,以预测材料的成形性能;采用本构为MSC.Marc软件中嵌入的Shima模型,通过对该数值模型的分析;制定了本构模型中TC4材料模拟所需材料参数的测定方法。针对航空类典型环形零件的成形,应用数值模型,通过对多种不同工艺制度参数的对比,得到了热等静压过程中的关键参数压力、温度曲线的优化制度。利用热等静压制备了实际的环形样件,数值模拟与试验结果吻合较好,说明数值模拟可对零件的热等静压工艺过程进行预测,同时也为复杂零件的成形预测奠定了基础。     

稳定热处理后表面污染对FGH4097制件性能的影响

研究了FGH4097制件在稳定热处理后出现的表面污染变色对零件性能的影响。对FGH4097粉末高温合金模拟件稳定热处理变色后进行组织检查、能谱分析和硬度测试,以及对FGH4097变色盘件化学成分分析、合金试样在空气炉不同热处理温度下的变色情况和热处理1 h后室温拉伸性能检测。结果表明：FGH4097粉末高温合金制零件在稳定处理后的表面污染变色为零件表面被氧化,变色层为一层薄的氧化膜。经过性能试验验证,发现表面污染变色对零件性能的影响不大,能够满足使用要求。     

钼粉烧结体近等温包套锻造过程的数值模拟

针对钼的变形抗力大、韧性差、脆性明显以及高温氧化等特点,本文采用了等温锻造与粉末包套锻造相结合的工艺来提高钼制品的性能。运用DEFORM-2D软件对钼粉烧结体近等温包套镦粗成形过程进行数值模拟,研究不同工艺参数对坯料致密度、变形均匀性和表面平整度的影响规律。近等温包套锻造工艺对钼粉烧结体有较好的致密效果,锻后坯料接近全致密,且密度分布较均匀。随锻造温度的升高,坯料的平均相对密度差异较小,密度分布均匀性逐渐变好。变形速度对坯料变形的影响不显著。随摩擦系数的增加坯料平均相对密度逐渐增大,密度分布均匀性变差,且坯料的平整度降低,外观质量变差。通过正交试验分析得知,锻造温度对平均相对密度和变形均匀性影响最显著,摩擦系数是影响坯料平整度的主要因素。     

热等静压参数对Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金组织与力学性能的影响

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法制备Ti-5Al-2.5Sn ELI预合金粉末,并对预合金粉末进行表征.研究了热等静压参数对Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金显微组织和力学性能的影响.结果表明,热等静压温度和压力的升高有助于提升粉末合金的致密度,当粉末合金的致密度大于99.5%时,粉末合金的力学性能可以达到锻造合金的水平.综合考虑粉末合金的致密度、显微组织和力学性能,Ti-5Al-2.5Sn ELI预合金粉末优选的热等静压工艺成型窗口为温度890~940℃,压力120 MPa以上,保温保压3 h.包套对热等静压压力有屏蔽作用,设计不当会降低粉末压坯的致密度.通过优化包套设计、热等静压参数和工艺途径可以有效抑制包套的屏蔽作用,提升粉末合金的致密度.     

Al2O3/ZrO2涂层在热等静压致密化TiAl基合金粉末过程中对碳钢包套的影响

由于焊接性能好，成本低，碳钢材料常被用于制作热等静压致密化TiAl基合金粉末的包套。在高温高压下，碳钢包套和TiAl基合金粉末通过原子扩散在扩散区形成脆性相，导致包套失效，并降低TiAl基合金压坯的致密度。为了确保碳钢包套在热等静压致密化TiAl基合金粉末过程中的可靠性，本文利用热喷涂的方法在20#钢包套内壁添加了Al2O3/ZrO2（A-Z）涂层，然后在 。在热等静压试验中，带有A-Z涂层的20#钢包套用于热等静压致密化Ti-46Al-2Cr-2Nb-(W, B)预合金粉末，其工艺为：1523K,2.5小时，130MPa+1603K,0.5小时，130MPa。为了对比，利用没有A-Z涂层的20#钢包套在1523K,3小时，130MPa的工艺参数开展了热等静压致密化试验。利用扫描电镜、电子探针等设施对获得的压坯进行了观测和分析。结果表明：A-Z涂层的加入可以防止脆性金属间化合物的形成。在热等静压过程中，20#钢包套中的Fe原子无法通过扩散的方式与TiAl基合金中的钛原子和铝原子相遇。因此，20#钢包套在热等静压过程中的可靠性得到了保证。此外，通过利用添加A-Z涂层的钢包套获得了完全致密的TiAl基合金压坯。压坯呈现出了近全片层类型的微观组织，其室温下的抗拉强度和延伸率也分别突破了590MPa和2.0%。     

TC11钛合金粉末涡轮盘热等静压成形数值模拟研究

为了成形复杂结构的涡轮盘零件,采用粉末热等静压工艺(HIP),设计了粉末净成形和粉-固扩散连接成形两种方案,使用MSC.MARC软件,在Shima模型中嵌入TC11钛合金材料参数进行数值模拟研究。模拟结果显示:粉末净成形的模具变形是粉-固扩散连接成形的2倍左右;粉末净成形的粉末体在热等静压后,关键部位出现明显的密度梯度分布,相对密度较低,粉-固扩散连接成形的相对密度分布的均匀性优于粉末净成形,所以粉-固扩散连接成形方案优于粉末净成形方案。试验结果显示:热等静压工艺可以实现闭式涡轮盘的净成形。     

Simulation of Microstructure for Hot Pack-Forging of a High Nb Containing TiAl Alloy

利用Deform-3D软件对高铌TiAl合金包套锻造过程中的微观组织演变进行模拟。为得到模拟所需参数,在1100～1250℃和0.001～0.5 s-1的条件下对合金进行了热压缩试验。在所得试验数据的基础上,利用一种间接方法建立了合金的动态再结晶模型,并利用Avrami形式的方程对再结晶分数进行描述。采用Cingara硬化模型及所建立的再结晶分数模型构建了合金的流变应力本构模型。模拟结果显示,由于锻造过程中摩擦的存在、热量的损失以及简单单向镦粗变形的锻造方式,使得坯料中的微观组织分布不均匀。通过模拟结果与实验结果的比较,证明所建立的有限元模型能够有效地预测高铌TiAl合金在包套锻造过程中的组织演变。     

铪对FGH4097合金系热力学平衡析出相和原始颗粒边界的影响

为消除粉末冶金高温合金FGH4097中存在的原始颗粒边界(PPB),采用Thermo-Calc热力学计算软件对FGH4097合金系进行热力学计算,并进行相应的组织观察与能谱分析,重点研究了铪(Hf)在FGH4097合金中的分布规律以及Hf对析出相的影响,特别是分析了Hf对合金中PPB的影响规律。结果表明,FGH4097合金中Hf主要存在于MC、MB2和γ’相中,Hf能促进MC相和γ’相的析出,有效地抑制M6C和M23C6型碳化物的形成。Hf质量分数为0.30%时消除了FGH4097合金中的PPB。     

铝合金复杂薄壁件热等静压成形数值模拟

基于MSC. Marc有限元分析软件的Shima模型,对2A12铝合金复杂薄壁件热等静压成形过程进行数值模拟,并采用成形实验进行验证。模拟结果表明:由于模具约束作用,特征空心柱成形位置出现"喇叭口";特征筋相对密度从上至下呈现梯度分布;石墨模具存在微变形,特征筋顶部和底部呈现不同程度的向内收缩趋势。实验结果表明:成形的特征筋、特征角度与模拟存在误差,但均在误差允许范围内;材料的抗拉强度为318. 3 MPa,规定非比例延伸强度为176. 3 MPa,断后伸长率为6. 8%;断裂方式主要为沿晶、准解理断裂,由金相显微照片观察到粉末颗粒之间实现完全致密化。     

高铌TiAl合金包套锻造过程微观组织模拟(英文)

利用Deform-3D软件对高铌TiAl合金包套锻造过程中的微观组织演变进行模拟。为得到模拟所需参数,在1100～1250℃和0.001～0.5 s-1的条件下对合金进行了热压缩试验。在所得试验数据的基础上,利用一种间接方法建立了合金的动态再结晶模型,并利用Avrami形式的方程对再结晶分数进行描述。采用Cingara硬化模型及所建立的再结晶分数模型构建了合金的流变应力本构模型。模拟结果显示,由于锻造过程中摩擦的存在、热量的损失以及简单单向镦粗变形的锻造方式,使得坯料中的微观组织分布不均匀。通过模拟结果与实验结果的比较,证明所建立的有限元模型能够有效地预测高铌TiAl合金在包套锻造过程中的组织演变。     

ECAPT工艺下纯铝粉末-包套变形行为的数值模拟与实验

采用体积可压缩刚粘塑性热力耦合有限元法,对纯铝粉末-包套ECAPT变形行为进行数值模拟,并实验分析其在ECAPT过程中显微组织和力学性能的演变规律。结果表明:ECAPT工艺对纯铝粉末材料具有强烈的致密和细化效果;变形坯料在模具转角和螺旋通道两处所受剪切变形程度最大,挤压载荷增幅最为明显;ECAPT工艺在提高材料应变累积量的同时可显著改善其变形分布的均匀性。模拟分析与实验结果具有较好的一致性,纯铝粉末坯料经1道次ECAPT变形后实现有效固结,显微组织显著细化,力学性能大幅度提高。     

粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金显微组织研究

采用包套热等静压工艺制备了粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI(extra low interstitial)合金,研究了热等静压温度、粉末粒度、后续热处理温度对合金显微组织的影响。当热等静压温度在800℃时,粉末体压坯显微组织保持颗粒形态,致密度为99.2%;当温度在900~940℃时,显微组织演变为完全致密、细小的等轴晶。在α相区热等静压温度下,包套中的Fe在基体中的扩散不明显;在α+β、β相区温度下,Fe在β相中向基体快速扩散,影响合金表面质量。粉末粒度越大,合金的平均晶粒尺寸越大,残留孔隙较多。在α相区热处理,显微组织仍为细小等轴晶;当温度升至1000℃时,出现热致孔隙。