高溫合金和鈦合金真空熱處理及熱脹形過程數(shù)值模擬.pdf

1、真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無脫碳、變形小、節(jié)能、自動(dòng)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為國際熱處理技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。真空熱脹形是一種特殊的成形加工方法，它是利用工件和模具之間線膨脹系數(shù)差異，根據(jù)材料高溫軟化和應(yīng)力松弛原理，通過模具在高溫狀態(tài)下熱膨脹力使工件成形。同其它金屬成形技術(shù)不同，真空熱脹形過程中工件變形主要是發(fā)生在低應(yīng)力狀態(tài)下彈塑性變形，并且塑性變形量與加熱溫度和保溫時(shí)間直接相關(guān)。由于真空熱處理及熱脹形過程的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的真空熱處理及熱脹形過

2、程研究主要基于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，這將造成工藝研發(fā)周期的增長和生產(chǎn)成本的增加。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元方法的完善，有限元模擬技術(shù)為真空熱處理及熱脹形過程的研究提供有力的工具。模擬能夠給出真空熱處理及熱脹形過程中各種場量信息，為合理確定真空熱處理及熱脹形工藝參數(shù)和保證工件產(chǎn)品質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。 本文以GH4169高溫合金和BT20鈦合金為研究對象，利用大型非線性有限元軟件MSC.Marc對高溫合金和鈦合金真空熱處理及熱脹形過程進(jìn)行模擬

3、研究，對溫度場、變形場和應(yīng)力場進(jìn)行分析，預(yù)測了真空加熱滯后時(shí)間，探索了確定鈦合金筒形件真空熱脹形工藝參數(shù)的科學(xué)方法，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下： 1．建立了二維非線性真空熱處理爐傳熱過程有限元模型，考慮了輻射傳熱和材料熱物性參數(shù)隨溫度變化等非線性因素的影響。使用有限元軟件MSC.Marc對真空熱處理爐傳熱過程溫度場進(jìn)行計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)了虛擬真空熱處理爐溫智能化PID控制。分別采用750℃和1150℃保溫

4、，對爐溫均勻性進(jìn)行模擬計(jì)算，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，為真空熱處理過程的虛擬生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。 2．利用真空熱處理爐傳熱有限元模型對GH4169合金大型復(fù)雜件和不同尺寸的BT20鈦合金試樣真空加熱過程溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測了GH4169合金零件和BT20合金試樣在真空加熱過程中加熱滯后時(shí)間，實(shí)測了GH4169合金大型復(fù)雜件和BT20合金試樣真空加熱過程溫度隨時(shí)間變化，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。分析

5、了加熱滯后時(shí)間對BT20鈦合金退火組織的影響。模擬結(jié)果表明：有效厚度≤20mm的BT20鈦合金零件在真空加熱時(shí)滯后時(shí)間系數(shù)可取 0.8～1min/mm。為了保證零件質(zhì)量及可靠性，必須合理地確定加熱滯后時(shí)間。 3．建立了BT20鈦合金筒形件真空熱脹形過程熱力耦合有限元模型。利用有限元軟件MSC.Marc對鈦合金直筒件真空熱脹形過程的溫度場、變形場和應(yīng)力場進(jìn)行模擬計(jì)算，對加熱溫度、模具厚度、工件與模具間隙大小等因素對真空熱脹形影響進(jìn)

6、行分析。提出了可用于企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)的不同型號(hào)BT20鈦合金直筒件真空熱脹形過程的模具設(shè)計(jì)尺寸和真空熱脹形工藝參數(shù)方案。 4．對BT20鈦合金真空熱脹形過程熱力耦合模型進(jìn)行了優(yōu)化建模研究，在保證計(jì)算精度的前提下，采用步長自適應(yīng)技術(shù)和兩步法模擬顯著提高計(jì)算效率。對不同型號(hào)BT20鈦合金錐簡件真空熱脹形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。分析了加熱溫度和零件壁厚對真空熱脹形的影響，模擬結(jié)果表明：BT20合