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随着航空、航天飞行器向轻量化、高速化、高可靠性和长寿命方向发展,迫切需要高性能、高精度钛合金复杂薄壁构件。TA15钛合金在450-500℃服役温度下具有较高的比强度和高温强度,结构效益十分显著,使得TA15钛合金薄壁构件在航空、航天等领域需求广泛。但是,提高钛合金构件的综合性能对成形制造技术提出了新的挑战。由于TA15钛合金室温成形性能低,以往多采用超塑成形,但超塑成形温度高(850℃以上)、成形时间长,往往导致组织性能弱化,难以满足服役性能要求。为此,本文采用晶体塑性有限元模拟方法,研究TA15钛合金板材的高温变形微观机理,为调控钛合金热态气压成形薄壁构件的组织性能提供了工艺基础。为了建立TA15钛合金高温变形晶体塑性本构模型,首先分析高温变形微观机理(700-800℃+0.1-0.001 s-1),建立了考虑变形温度、变形激活能和可动位错密度的位错运动和晶界滑移动力学方程。之后,建立了动态回复、动态再结晶和微观孔洞演化模型,并通过UMAT子程序将晶体塑性本构模型嵌入ABAQUS有限元软件,实现了TA15钛合金高温微观变形行为的晶体塑性有限元模拟。通过晶体塑性有限元模拟和EBSD技术分析了位错密度和初始织构对位错运动机制的影响规律,发现高位错密度能够同时提高TA15钛合金的服役温度强度和高温变形性能。因此,TA15钛合金热成形工艺应选取具有较高位错密度的轧制态板材,并且使构件保持较高位错密度的状态。而材料的初始织构通过改变位错滑移系Schmid因子显著影响开动的位错滑移模式,为了提高TA15钛合金的高温成形性能,应充分利用板材的初始织构,使最大主应变方向平行于板材轧制方向,促进临界分切应力较低的基面和柱面滑移。此外,TA15钛合金高温变形应变状态决定织构演化行为,通过改变应变状态可以调控构件的织构形态。通过晶体塑性有限元模拟分析了TA15钛合金双相多晶微观变形行为,发现在多晶体应变分布云图上,出现三种与拉伸方向呈45°的变形带:β相变形带、α相晶内变形带和α相临近晶界变形带,而微观应变分布又决定着位错密度分布等微观变形行为。此外,在服役温度(500℃)力学性能测试时,晶界区域强度较高,随着晶粒尺寸的降低,晶界区域体积分数增加,服役温度强度逐渐升高。然而,随着变形温度升高、应变速率降低,晶粒尺寸降低会促进晶界滑移机制,表现为细晶软化现象。为了提高材料高温成形性能和构件服役温度力学性能,TA15钛合金热成形工艺应选取具有细晶组织的轧制态板材,并且使构件保持细晶状态。对TA15钛合金静态再结晶机制进行了准原位表征,建立了包含连续和非连续动态再结晶的微观组织演化模型,为钛合金热成形构件的组织性能调控提供理论依据。在低Z参数变形条件下,TA15钛合金容易发生晶粒长大,导致晶粒尺寸增加,构件服役温度力学性能下降。在高Z参数变形条件下,TA15钛合金的成形性能降低,容易形成微观孔洞,同样导致构件服役温度力学性能下降。为了控制TA15钛合金高温变形的微观组织演化行为,提出了高温变速率加载路径,并通过板材自由胀形理论计算变速率成形气压加载路径,实现了TA15钛合金半球件变速率热态气压成形方法。通过调控应变速率合理地控制了TA15钛合金构件的动态再结晶行为,保证了高位错密度和细晶的状态,同时避免了微观孔洞形成,确保了构件的微观组织和力学性能。