【摘 要】
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航空航天业不仅作为一个国家重要的战略性产业,同时也是国家国防力量、经济实力以及现代化工业水平发展的重要标志。随着全球能源危机、环境污染以及国家安全的日益严重,飞机结构的轻量化逐渐成为未来航空航天领域发展的重要方向。钛合金材料同传统金属材料相比,具有更轻的重量、更好的性能,能长期服役于高温、高压以及腐蚀环境中,并且目前钛合金材料在航空飞机中的使用程度已经成为了衡量其技术先进程度的重要标志。TC21钛
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航空航天业不仅作为一个国家重要的战略性产业,同时也是国家国防力量、经济实力以及现代化工业水平发展的重要标志。随着全球能源危机、环境污染以及国家安全的日益严重,飞机结构的轻量化逐渐成为未来航空航天领域发展的重要方向。钛合金材料同传统金属材料相比,具有更轻的重量、更好的性能,能长期服役于高温、高压以及腐蚀环境中,并且目前钛合金材料在航空飞机中的使用程度已经成为了衡量其技术先进程度的重要标志。TC21钛合金作为一种由我国自主研发并且具有优良特性的新型钛合金材料,能够长期服役于高温、高压和腐蚀环境,因此被广泛应用于飞机的机翼、机身、起落架以及发动机接头等关键部位。锻造成形作为一种重要的成形工艺,广泛应用于钛合金材料的塑性成形,该工艺不仅能精确实现钛合金结构件的尺寸和形状,还能精确调控钛合金结构件的微观组织和性能,但传统的航空用钛合金锻件存在规格小、材料利用率低、生产率低以及锻件之间的连接可靠性较低等问题,并且现代化的航空锻件正逐渐向整体化和大型化方向转变。所以非常有必要对大型航空用钛合金锻件的锻造成形工艺进行研究,以便为TC21钛合金这类大型航空锻件的制造和生产提供具体的工艺参数和指导。本文以我国某航空飞机大型锻件为研究背景,对TC21钛合金材料的锻造成形特性进行了研究。首先借助Gleeble-3800热模拟试验机获取了TC21钛合金材料在不同变形温度、变形速率条件下的高温流变特性,并对所获得的高温流变特性曲线进行了分析和研究。然后采用数值模拟分析技术对TC21钛合金材料在不同成形工艺参数条件下的小圆柱体热压缩过程进行了模拟分析,同时也对TC21钛合金材料在准β锻造工艺下的模锻过程进行了模拟分析。最后结合TC21钛合金材料的高温流变特性和数值模拟分析结果建立了相应的物理实验对其进行了试验验证,并对物理试验验证所获得的锻件进行了理化检测和分析。本次课题的研究结果为TC21钛合金大型航空锻件的研究和实际生产提供了指导意义。本论文主要的研究内容如下所示:（1）在钛合金塑性变形的理论基础上,通过高温热压缩实验机获取TC21钛合金材料在热塑性变形过程中的高温流变特性,并根据高温流变曲线分析变形温度、变形速率对材料热塑性变形过程的影响。（2）在高温热压缩实验的基础上,借助DEFOEM-3D有限元模拟分析软件对TC21钛合金材料的小圆柱热压缩试验进行了模拟分析,获取了不同工艺参数（摩擦因子、变形速率、变形温度、变形量）条件下TC21钛合金材料在热压缩过程中的应力、应变以及载荷的分布情况。（3）结合热压缩实验和小圆柱模拟实验分析结果,借助DEFOEM-3D有限元模拟分析软件对TC21钛合金材料在准β锻造温度下的模锻过程进行了模拟分析,研究了应变速率、摩擦因子对同一锻件的不同变形量区域的影响。（4）根据材料高温热压缩实验和数值模拟分析的研究结果对TC21钛合金材料进行了物理试验验证。首先根据课题要求和材料的特性设计了合理的模具并对模具进行了加工生产,其次分析了冷却方式对不同厚度的TC21钛合金锻件组织和性能的影响并确定了合理的冷却方式,然后选用TC21钛合金棒材对其进行自由锻制坯和模锻试制以获取了具有不同变形量的TC21钛合金模锻件,最后对该锻件的各个变形量区进行理化分析,分别分析了锻件不同变形量区的微观组织和力学性能。最终得出了TC21钛合金材料在准β锻造工艺下不同变形量对锻件组织和性能的影响规律,并提出了TC21钛合金大型航空锻件的工艺设计准则。
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