摘 要 真空热处理技术具有无氧化、无脱碳、变形小、节能、自动化程度高等一系列优点，成为国际热处理技术发展的热点。真空热胀形是一种特殊的成形加工方法，它是利用工件和模具之间线膨胀系数差异，根据材料高温软化和应力松弛原理，通过模具在高温状态下热膨胀力使工件成形。同其它金属成形技术不同，真空热胀形过程中工件变形主要是发生在低应力状态下弹塑性变形，并且塑xx形量与加热温度和保温时间直接相关。由于真空热处理及热胀形过程的复杂性，传统的真空热处理及热胀形过程研究主要基于实验和经验，这将造成工艺研发周期的增长和生产成本的增加。随着计算机技术的发展和有限元方法的完善，有限元模拟技术为真空热处理及热胀形过程的研究提供有力的工具。模拟能够给出真空热处理及热胀形过程中各种场量信息，为合理确定真空热处理及热胀形工艺参数和保证工件产品质量提供科学依据。 本文以GH4169高温合金和BT20钛合金为研究对象，利用大型非线性有限元软件MSC.Marc对高温合金和钛合金真空热处理及热胀形过程进行模拟研究，对温度场、交形场和应力场进行分析，预测了真空加热滞后时间，探索了确定钛合金筒形件真空热胀形工艺参数的科学方法，为实际生产提供理论指导。本文的主要研究内容及结论如下： 1.建立了二维非线性真空热处理炉传热过程有限元模型，考虑了辐射传热和材料热物性参数随温度变化等非线性因素的影响。使用有限元软件MSC.Marc对真空热处理炉传热过程温度场进行计算和分析，实现了虚拟真空热处理炉温智能化PID控制。分别采用750℃和1 150℃保温，对炉温均匀性进行模拟计算，并进行了相应的实验验证，模拟结果与实验结果吻合较好，为真空热处理过程的虚拟生产奠定了理论基础。 2.利用真空热处理炉传热有限元模型对GH4169合金大型复杂件和不同尺寸的BT20钛合金试样真空加热过程温度场进行数值模拟，预测了GH4169合金零件和BT20合金试样在真空加热过程中加热滞后时间，实测了GH4169合金大型复杂件和BT20合金试样真空加热过程温度随时间变化，模拟结果与实验结果吻合较好。分析了加热滞后时间对BT20钛合金退火组织的影响。模拟结果表明：有效厚度≤20mm的BT20钛合金零件在真空加热时滞后时间系数可取0.8～1lmin/mm。为了保证零件质量及可靠性，必须合理地确定加热滞后时间。 3.建立了BT20钛合金筒形件真空热胀形过程热力耦合有限元模型。利用有限元软件MSC.1tv[al-c对钛合金直筒件真空热胀形过程的温度场、变形场和应力场进行模拟计算，对加热温度、模具厚度、工件与模具间隙大小等因素对真空热胀形影响进行分析。提出了可用于企业真实生产的不同型号BT20钛合金直筒件真空热胀形过程的模具设计尺寸和真空热胀形工艺参数方案。 4.对BT20钛合金真空热胀形过程热力耦合模型进行了优化建模研究，在保证计算精度的前提下，采用步长自适应技术和两步法模拟显著提高计算效率。对不同型号BT20钛合金锥筒件真空热胀形过程进行数值模拟，并进行相应的实验验证，模拟结果与实验结果吻合较好。分析了加热温度和零件壁厚对真空热胀形的影响，模拟结果表明：BT20合金筒形件真空热胀形的{zj0}温度范围为750～850"C。壁厚≤3脚的钛合金筒形件可通过真空热胀形的方法进行弯曲变形，而大于3mm的钛合金筒形件不能通过真空热胀形的方法进行弯曲变形，只能校形。 关键词高温合金;钛合金;真空热处理;真空热胀形;数值模拟
1 绪论1.1引言 现代热处理和金属成形技术是现代制造业中不可或缺的关键加工技术，为制造业和机电产品的更新换代、提高质量、节能降耗、发挥材料潜力和延长产品寿命做出了重要贡献。真空热处理技术是材料改性方面高精度、优质、节能和清洁无污染的加工制造技术，是近50年来国际热处理技术发展的热点。真空热胀形是利用模具在高温状态下的热膨胀力使工件保持良好的贴模状态并发生塑性变形的一种特殊的塑性成形加工方法。该技术具有生产成本低、表面质量好、成形精度高等优点。因此，真空热处理及热胀形技术是当今机械工程先进制造技术中重要研究领域之一，具有较好的技术经济效益和应用前景。 真空热胀形工艺在航空航天工业中获得应用的历史并不长，其理论及工艺方面的研究比较缺乏，工件变形规律的经验和实验数据积累十分有限，给工艺设计带来了～定的困难。为了有效地开展新产品生产技术，在真空热胀形工艺设计中迫切需要了解胀形过程中工件成形规律，工艺参量对胀形的影响，以便增加预见性，从而减少工艺设计的时间和费用，提高产品的市场竞争能力。但真空热处理及热胀形过程中工件内部的传热、变形、内应力、应变及与工件周围介质间的换热等一系列复杂现象无法直接观察和直接测量。传统的真空热处理及热胀形过程工艺参数设计采用经验或半经验的估算方法，这种定性的经验估算方法难以对真空热处理及热胀形工艺参数进行优化设计，同时它具有很大的盲目性和试探性，并且带来了严重的人力，物力和时间的浪费，因而难以保证产品xx质量的重现性及可靠性。目前，这种传统的研究方法已不能满足现代制造业高速发展的要求，成为制约现代制造业高速发展的瓶颈。 计算机信息技术和数值计算方法的发展，引发了虚拟制造技术的热潮。高可靠性无冗余产品的设计与制造对零件的热处理和塑性成形质量及其重现性提出了严格的要求，为此有必要在热处理和塑性成形过程计算机模拟的基础上建立热处理和塑性成形虚拟生产平台，使工程技术人员在直观地反映热处理和塑性成形过程中各种现象变化规律的虚拟现实环境中进行创造性思维，在xx预测处理后零件的性能场、残余应力场和变形场及各种因素的影响规律的基础上制定和优化热处理及热胀形工艺例。在最近的20多年中，各国学者在热处理和塑性成形计算机模拟领域中进行了大量的研究，至今已逐步进入实用化阶段。在一些工业发达国家中的一些企业生产模式转变为“理论一数值模拟生产”的模式，数值模拟作为一道必须的生产工序，对生产工艺进行优化和检验产品的质可靠性。数值模拟技术同传统的经验法相比具有如下优点：能够完整、详尽地提供整个计算域内所有有关变量数据;通过少量验证性实验验证模拟结果的准确性，因而缩短了从产品设计到制造的周期，减少了试制费用;它不仅能够预测出某一特定工艺所能得到的最终结果，而且能显示工艺过程中的变化，使人们能对工艺过程规律进行深入了解;在实验困难的情况下，计算机模拟技术是{zj0}的研究方法。目前许多国家都投入巨大的力量进行这方面研究，近年来在热处理和塑性成形国际会议中，涉及计算机模拟的论文所占的比重大幅度上升，已成为最热门的课题。
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