粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金流动应力软化及热加工参数优化研究

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粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金既具有传统方法制备的Ti2AlNb基合金的优异物理、力学性能,又避免了铸造和铸锭方法制备过程的缩松、缩孔和加工复杂的等问题,是一种受到广泛关注的轻质高温结构材料。热机械加工是一种有效提高粉末冶金材料性能的方法,并且对合金进行流动应力研究在确定热加工工艺参数方面具有重要作用,而热加工参数又对工件的机械性能和显微组织有着巨大影响。本文针对粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金材料,进行了温度区间为995-1075oC、应变速率区间为0.001-1.0s-1的等温热压缩试验,研究了该合金在高温变形过程中的流动应力特征及其软化行为。利用热加工图技术,结合对合金显微组织演变规律的分析,研究了Ti-22Al-25Nb合金在不同热加工区间内的热加工性能,达到了优化热加工参数的目的。基于以上研究,通过有限元模拟平台的二次开发,使构建热加工图必需的重要参数在热成形过程(功率耗散效率因子和失稳参数)的分布与演变规律能够实现动态可视化表征。通过对粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金热模拟压缩的结果进行分析,研究了该合金的流动应力及其软化行为。建立了包含动态再结晶(DRX)临界发生模型和动力学模型的本构方程,并通过组织观察和统计学误差分析对模型进行了相关评估。结果表明,DRX是Ti-22Al-25Nb合金热加工过程中的主要软化机制,其变形的宏观激活能Q=410.172kJ/mol,模型计算值与试验测量值的线性相关系数R为0.992,平均误差只有2.8MPa,平均相对误差为0.9%,验证了所构建模型的准确性,说明本研究所建立的本构模型能够很好地描述该合金的高温流动和应力软化行为。通过观察Ti-22Al-25Nb合金热变形后的显微组织,并构建该合金基于动态材料模型和Prasad准则的热加工图,分析了合金在不同参数下的可加工性。结果表明,在应变速率0.01-0.1s-1范围内,功率耗散效率η值比较大,随着温度的增加,先略减小后又恢复至最高值,此时的试样组织细小均匀。此外,高η值区域未出现失稳现象,失稳区域的η值虽然较高,但试样组织存在显微裂纹。经过综合比较,1050-1065oC/0.01-0.1s-1区域为Ti-22Al-25Nb合金的最优热加工区间。基于以上研究,通过Fortran语言编译了Abaqus有限元软件的二次开发子程序,对Ti-22Al-25Nb合金热压缩过程进行了有限元数值模拟。结果表明,试样压缩变形的3个典型特征区域的模拟结果与实际显微组织的对比结果吻合良好;η值在试样中的分布与3个变形特征区域相对应,且中心Ⅱ区的η值始终是3个区域的最大值集中区;整体而言,η值随应变速率增加而先增大后减小;失稳参数ξ的分布情况变化单一,只有在热加工参数处于加工图失稳区域时,失稳因子ξ<0的区域才会稳定存在并发展变化。
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