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为了促进钛合金气压胀形工艺的发展,缩短钛合金薄壁结构件的成形时间,提高成形件的尺寸精度和组织性能,本文提出了高压气胀成形工艺,在降低成形温度、提高成形压力的条件下开展气压胀形工艺研究,为钛合金结构件高效制造提供技术支持,并拓宽钛合金应用领域。降低成形温度,提高成形压力之后,钛合金材料的力学性能、本构关系发生变化,各种工艺参数对成形的影响更加复杂,因此需要对钛合金高压气胀成形规律进行深入研究。本文通过高温力学性能测试、气胀工艺试验、热力耦合数值模拟及微观组织分析,研究了Ti-3Al-2.5V钛合金高压气胀成形规律和成形后微观组织变化。通过单向拉伸实验对Ti-3Al-2.5V钛合金管材高温力学性能进行研究,发现在温度650℃~800℃、应变速率0.001s-1~0.1s-1条件下,随着温度升高或应变速率降低,由动态回复和再结晶引起的软化行为开始出现,可提高材料的断裂延伸率;揭示了钛合金高温变形过程中存在由应变硬化和应变速率硬化共同导致的加工硬化行为,并发现相同应变速率下,随着温度升高,加工硬化率降低,加工硬化作用减弱;在以上研究基础之上,建立了可同时描述加工硬化和软化阶段应力应变关系的本构方程。基于Ti-3Al-2.5V钛合金高温变形行为与成形性能,设计了高压气胀成形设备,突破了高压气体介质建立、传输及闭环控制关键技术,获得最高70MPa高压气体介质;通过输入输出变流量协调控制实现压力加载曲线精确控制;并实现了变形与温度的实时监测。采用工艺实验的方法对方形截面管件高压气胀成形进行了研究,发现高压气体快速充入管材过程中,会导致管材环向温差,加压速率越高,环向温差越大。当加压速率高于1MPa/s时,在升压阶段,圆角半径随时间呈线性变化,而在恒压阶段,圆角半径随时间呈一阶指数变化。通过降低加压速率和进行气体预热,可减小环向温差,在一定加载路径下,可将最大环向温差控制在3℃以内,近似实现等温成形。在此方法基础之上,研究了环向温差对成形件壁厚分布的影响,发现当成形过程中的环向温差高于一定值时,会导致直壁区减薄率高于圆角区,当环向温差过大时,会使直壁中心附近局部变形量过大而发生破裂。采用初始加压速率和成形压力较低的逐步升压阶梯加载路径,可在成形初期同时减小环向温差和降低应变速率,使直壁区局部变形量明显减小,避免破裂发生,同时通过在后续成形过程中快速升压,抑制圆角变形速率不断减小的趋势,最终有效提高壁厚均匀性和缩短圆角成形时间。通过热力耦合数值模拟研究发现,与恒温条件相比,差温条件下的圆角成形初期,直壁区内外侧等效应变速率有所提高,圆角区内外侧等效应变速率有所降低,进一步说明直壁区与圆角区存在较大温差时,变形主要集中在直壁区;此外,无论恒温还是差温条件下,圆角区外侧始终为双拉应力状态,内侧仅在成形初期为二拉一压应力状态,之后一直为三压应力状态,说明圆角区外侧更容易产生变形。通过金相显微镜和电子背散射衍射分析(EBSD)对Ti-3Al-2.5V钛合金管材高压气胀成形过程中的微观组织进行了研究,结果表明:在650℃~800℃范围内进行高压气胀成形时,应变速率较高,晶粒以伸长变形为主,此时,管材微观组织主要受塑性变形量影响;在700℃下,当最大环向温差为19℃时,直壁中心内侧和圆角中心外侧变形量较大,其晶粒发生明显的伸长变形,而圆角中心内侧变形量较小,晶粒仍呈等轴状;与其相比,等温条件下,圆角中心外侧、圆角中心内侧及直壁中心内侧这三个典型部位的变形一致性提高,晶粒形貌差别减小;当加载路径不合适,引起的环向温差过大时,会导致变形初期直壁中心区的局部应变在短时间内迅速增大,材料内部产生空洞缺陷,空洞不断聚合长大,进而引发断裂,此时空洞的体积分数也主要取决于塑性变形量。