随着航空航天技术的不断发展,对于高温钛合金紧固件的需求越来越大。Ti2Al Nb基合金是近年来研发的一种能在650～800℃长期服役的新型高温结构材料,具有良好的强度、抗蠕变性能、热稳定性能以及良好的抗断裂性能,因此成为极具潜力的制造航空航天发动机风扇、压气机盘与叶片以及紧固件等承力构件的理想材料。但钛合金是室温下难成形金属,且Ti2Al Nb基合金具有导热性差、摩擦系数较大和成形载荷大等特点,因此限制了Ti2Al Nb基合金紧固件的应用与发展。超声振动成形技术因为成形载荷低、成形质量好,因此受到越来越多的关注。超声辅助成形是指在金属塑性成形的过程中引入超声波,利用超声塑性成形过程中的体积效应和表面效应来降低流动应力、提高成形质量的一种成形方法。因此,将超声振动用于Ti2Al Nb基合金塑性成形工艺,并研究该工艺过程对Ti2Al Nb基合金宏微观成形规律,具有重要的理论与工程意义。首先,本文基于超声辅助变形特点,提出了超声辅助压缩平台的设计要求,综合运用变幅杆设计理论与有限元仿真,设计并搭建了超声辅助压缩变形平台。其中设计的超声变幅杆的纵向谐振频率为20262 Hz,与理论设计频率20 k Hz相比,偏差仅为1.31%,此外频率在20000 Hz附近时,谐响应幅值达到峰值,符合实际设计要求。并针对该平台响应性能开展了相关的测试工作。其次,开展了超声辅助Ti2Al Nb基合金常温下的压缩变形物理实验,并把实验获得的传统压缩下的应力-应变数据作为材料的本构关系用于有限元数值模拟,分析了不同高径比及超声振幅对压缩变形的影响规律。实验研究表明:超声辅助压缩变形过程中,流动应力有所降低,且振幅越大,降低幅度越大。超声振动能够显著细化α2相尺寸并且提高试样各特征区域的硬度,与试样下侧难变形区相比,施加超声的试样上侧难变形区α2相尺寸细化的更为明显,对B2相晶界钉扎作用更强,因此硬度增加显著。超声振动能显著降低模具与试样之间的摩擦系数,上表面下降更明显,其中上、下表面面积比相差最大为4.11%;此外振幅对温升的影响较为显著,其中温度最高的区域主要集中在试样上侧,而下侧的温度则相对较低。模拟研究表明:随着振幅及试样高径比的增大,其成形载荷不断减小。超声加载时,试样上下两侧应变不再呈对称分布状态而表现出试样上侧难变形区应变大于试样下侧;并且随着振幅的增大,试样中大变形区和小变形区的应力和应变皆随之减小,而难变形区的应力与应变却随之增大。此外超声加载时,试样上表面所受到的摩擦力周期性振荡的极值较大,且振幅越大,其极值也有所增大。最后,开展了超声辅助Ti2Al Nb基合金热压缩变形有限元模拟,分别在压缩过程中加载横向或纵向的超声,研究不同振动方向及振幅对压缩变形的影响规律。结果表明:施加超声振动后,试样的成形载荷、应力应变、金属流动速度、摩擦力及表面温度都有着较为明显的变化,并且随着振幅的增大,其变化幅度也更加明显。纵向加载时,其平均载荷降低最为明显,幅值为46μm时,相较于传统热压缩时的平均载荷,其降低幅度可达85.25%。同时应力和应变呈现出一种无序的分布状态,而且应力、应变及金属的流动速度与振幅之间的相关性不再明显;振动对大变形区及难变形区的应变提升较高,但对小变形区提升则相对较低。此外,纵向加载时试样表面效应及温升效应也不再显著,此时的温度基本保持为振动前的温度状态。而横向加载时,振幅为46μm时,其平均载荷降幅仅为36.89%;此时的应力、应变及金属流动速度与振幅成正相关,并且该加载方向下的表面效应及温升效应较为明显,其中摩擦力极值及材料的径向位移有所增大,并且试样上表面温度较振动前提升幅度高达14.66%。