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TC4三层板结构超塑成形/扩散焊接工艺研究

作　者: 门向南
导　师: 童国权
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TC4 超塑成形/扩散焊接(SPF/DB) 数值模拟夹层结构焊合率沟槽
分类号: TG453.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

超塑成形/扩散焊接(简称SPF/DB)工艺,是南南南天领域成形研究的重要内容之一。钛合金多层板南心结构件由于其良好的结构形态、较轻的零件重量和简化的零件数量,一直以来是工艺应用的重点。目前钛合金SPF/DB工艺虽己进入使用阶段,但我国在SPF/DB技术上与发达国家相比还存在较大的差距。因此,开展钛合金等先进材料的SPF/DB技术研究,对降低成本,提高构件性能,增加飞机推重比具有非常重要的意义。本文结合数值模拟,采用先扩散焊接后超塑成形的方法,开展TC4三层板结构超塑成形/扩散焊接工艺研究和探讨。本文首先依据超塑成形和扩散焊接基本原理和变形机理,确定TC4三层板结构SPF/DB的实验方案,提出显微组织分析焊合率和晶粒尺寸的方法,分析了超塑成形/扩散焊接过程的影响因素。在理论和实验工艺的基础上,利用MARC软件对TC4三层板结构的超塑成形过程进行数值模拟,优化成形零件结构,预测成形零件的壁厚分布,讨论应变速率对成形结果与成形时间的影响,证明1x10-3 s-1为最佳成形应变速率,并获得最大应变速率恒定条件下的超塑成形压力—时间(p-t)曲线。对成形零件壁厚分布情况及成形结果进行分析,根据不同扩散焊接部位的显微组织计算焊接接头的焊合率及晶粒尺寸,讨论不同变形量对晶粒尺寸影响。结果表明:成形零件整体壁厚均匀,最大减薄率为32%;扩散焊接接头的焊合率较高,最大值为100%;成形后晶粒尺寸较原始晶粒尺寸明显长大,并且芯板的左、右肋和成形圆角处的晶粒尺寸较其余部位小;成形零件上面板质量较好,下面板出现一处明显的沟槽,芯板成形较好。对比数值模拟结果与实验结果,表明二者吻合较好,数值模拟可靠。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
图表清单  9-12
注释表  12-13
第一章绪论  13-23
  1.1 引言  13-14
  1.2 超塑成形/扩散焊接工艺的研究进展  14-18
    1.2.1 超塑成形/扩散焊接工艺发展概况  14-17
    1.2.2 超塑成形/扩散焊接工艺发展趋势  17-18
  1.3 超塑成形/扩散焊接工艺特点  18-20
    1.3.1 典型结构  18
    1.3.2 工艺方法  18-19
    1.3.3 工艺优点  19-20
    1.3.4 SPF/DB 工艺在实际生产中需要解决的问题  20
  1.4 数值模拟方法在超塑成形研究中的应用  20-21
  1.5 课题的意义和主要研究内容  21-23
    1.5.1 课题的意义  21-22
    1.5.2 主要研究内容  22-23
第二章超塑成形/扩散焊接工艺的理论基础  23-31
  2.1 超塑成形的基本原理  23-26
    2.1.1 超塑性变形机理  23-25
    2.1.2 超塑性本构方程  25
    2.1.3 超塑成形中的组织变化  25-26
  2.2 扩散焊接的基本原理  26-30
    2.2.1 扩散机理  26-27
    2.2.2 扩散的基本方程  27-28
    2.2.3 接头的形成过程  28-29
    2.2.4 扩散焊接界面几何模型  29-30
    2.2.5 界面南洞消失机理  30
  2.3 本章小结  30-31
第三章 TC4 三层板结构超塑成形/扩散焊接实验方案  31-35
  3.1 实验方案设计  31
  3.2 实验结果分析  31-33
    3.2.1 零件壁厚分析  31-32
    3.2.2 显微组织分析  32
    3.2.3 焊合率  32
    3.2.4 晶粒尺寸  32-33
  3.3 超塑成形/扩散焊接工艺影响因素  33-35
    3.3.1 温度  33
    3.3.2 加压速度和压力  33
    3.3.3 时间  33-34
    3.3.4 原始组织  34
    3.3.5 制件表面状态  34
    3.3.6 真南度  34-35
第四章 TC4 三层板结构超塑成形数值模拟  35-49
  4.1 MSC.MARC 简介  35
  4.2 超塑成形数值模拟的关键技术  35-38
    4.2.1 单元类型  35-37
    4.2.2 压力优化控制策略  37-38
    4.2.3 本构关系  38
  4.3 有限元模型建立  38-40
  4.4 有限元参数设定  40
  4.5 数值模拟结果与分析  40-48
    4.5.1 不同方案的对比结果  40-43
    4.5.2 三层板结构超塑成形过程  43-45
    4.5.3 不同应变速率下的成形结果分析  45-47
    4.5.4 优化加载曲线的生成  47-48
  4.6 本章小结  48-49
第五章 TC4 三层板结构超塑成形/扩散焊接实验研究  49-74
  5.1 前言  49
  5.2 三层板结构 SPF/DB 实验准备  49-58
    5.2.1 实验设备  49-51
    5.2.2 实验材料  51-52
    5.2.3 模具制备  52-55
    5.2.4 气路设计  55-56
    5.2.5 实验板料准备  56-58
  5.3 三层板结构 SPF/DB 实验过程  58-62
    5.3.1 实验工艺流程  58
    5.3.2 实验参数选择  58-59
    5.3.3 SPF/DB 实验过程  59-62
  5.4 实验结果分析与讨论  62-72
    5.4.1 成形结果壁厚分析  62-64
    5.4.2 显微组织分析  64-69
    5.4.3 实验件成形结果  69-72
  5.5 本章小结  72-74
第六章总结与展望  74-76
  6.1 总结  74
  6.2 展望  74-76
参考文献  76-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文  81

TC4三层板结构超塑成形/扩散焊接工艺研究

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