钛合金粉末热压成形本构模型研究开题报告

2020-02-20 10:02

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.研究目的与意义

钛及钛合金是一种于上世纪五十年代发展利用起来的新型金属，钛及钛合金具有密度小、比强度高、热膨胀系数低、抗腐蚀性好、耐热耐腐蚀、与复合材料兼容性好、易焊接等特点，广泛应用于航空航天、海洋、化工、军工、医疗等领域，被誉为仅次于铁、铝的正在崛起的 “ 第三金属 ”^[1]。 ti-6al-4v合金是美国于1954年研制的第一个实用的钛合金，该合金的使用量占钛合金整体的80%左右，是钛合金中的王牌。我们将可以将ti-6al-4v合金作为典型来研究，从而达到对整个钛合金使用发展的目的。

尽管钛合金有上述多种优点，但是由于钛合金的强度高、硬度大、化学性质活泼、高温时易于其他材料发生化学反应，此类性质迫使钛合金与一般传统的精炼、熔融和铸造技术不同，会出现很多缺陷，甚至经常造成模具的损坏。基于此，随着ti-6al-4v粉末冶金技术的发展，粉末钛热等静压（pm/hip）技术^[2]可制造出高性能、低成本的钛合金构件。其优点包括：材料致密度高，相对密度接近100%，内部组织均匀细致、无缺陷、无织构、无偏析、内应力小等性能可全面达到或超过锻件的水平；材料设计适应性强，通过成分的改变，可达到多种性能和功能的需求。

在粉末压制过程中，材料的本构模型代表着粉体的变形机理，是粉末成形过程仿真模拟分析的基础与核心，建立粉末压制本构模型对研究粉体压制成形规律、优化模具设计及工艺参数具有重要意义。而ti-6al-4v粉末冶金成形技术模拟的难点是本构模型的建立，实践与理论不断结合才能创造出成功的本构模型，目前，现有的对钛合金粉末压制成型过程的本构模型还不够完善，有很大的局限性，且现有的本构模型与具体实验的结果相差较大，我们需要重新修正这些模型，找到一个更加普遍适用的本构模型。^[3]

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2. 研究的基本内容与方案

1.设计的任务是：

（1）查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，了解选题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响，完成开题报告；

（2）设计加工实验工装及模具，对Ti-6Al-4V钛合金粉料进行室温模压试验、单轴压缩和径向压缩（巴西圆盘）实验以及不同温度下的热压实验；

（3）对试验数据进行数据处理，通过理论计算与分析建立钛合金粉末热压成形的Drucker-Prager Cap（DPC）模型，建立模型参数与相对密度及温度的关系；

（4）基于典型热压实验，验证钛合金粉末热压成形本构模型；

（4）完成不少于5000字的英文文献翻译；

（6）总结选题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响，撰写毕业论文，字数不少于1.2万字。

2.设计需要重点解决的问题及拟采用的方案是：

重点解决的问题是：建立模型参数与相对密度的关系，并考虑热压温度对压制密度的影响，研究分析模型参数与相对密度及温度的关系，建立考虑温度影响的修正Drucker-Prager Cap本构模型，并通过钛合金粉末热压成形实验验证模型的适用性。

3.拟采用的方案

（1）以Ti-6Al-4V粉末为对象，室温下用压力机压制出不同致密度的粉体压坯，通过单轴压缩和径向压缩（巴西圆盘）实验，建立其室温下Drucker-Prager Cap (DPC)模型中剪切曲面模型参数与相对密度的关系；

（2）室温下对Ti-6Al-4V钛合金粉末进行模压试验，测得实验过程中上、下冲头应力-应变、径向力等相关实验数据，建立其室温下Drucker-Prager Cap (DPC)模型中帽曲面部分模型参数与相对密度的关系；

（3）通过理论分析与数据处理建立Ti-6Al-4V钛合金粉末室温压制的弹性参数与相对密度的关系；

（4）通过不同温度下的热压实验，研究温度对相对密度的影响规律，基于理论分析，归纳出考虑温度影响的修正Drucker-Prager Cap本构模型，建立模型参数与相对密度及温度的关系；

（5）通过典型热压实验验证所建立的热压本构模型。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确定方案，完成开题报告；

第4－6周：设计加工实验工装及模具，准备实验原材料；

第7－10周：对钛合金粉末进行室温模压试验、单轴压缩和径向压缩（巴西圆盘）实验以及不同温度下的热压实验，测得所需实验数据；

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4. 参考文献（12篇以上）

3、参考文献

[1]徐磊,郭瑞鹏,吴杰,卢正冠,杨锐.钛合金粉末热等静压近净成形研究进展[J].金属学报,2018,54(11):1537-1552.

[2]马玉龙. TC4钛合金粉末成形及数值模拟研究[D].南京航空航天大学,2016.

[3]刘文彬,陈伟,王铁军,车洪艳,梁超.粉末钛合金的热等静压技术研究进展[J].粉末冶金工业,2018,28(02):1-7.

[4]谢奇峻. AZ31B镁合金冲击动态力学行为的实验和本构模型研究[D].西南交通大学,2018.

[5]徐可. 熔融沉积增材制造ABS材料本构模型研究及其应用[D].大连理工大学,2018.

[6]S. Amir H. Motaman,Ulrich Prahl. Microstructural constitutive model for polycrystal viscoplasticity in cold and warm regimes based on continuum dislocation dynamics[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2018.

[7]Ravindranadh Bobbili,Vemuri Madhu. Dynamic behavior and constitutive modeling of Ti-10-2-3 alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds,2019,786.

[8]Mohammad M. Karimi,Masoud K. Darabi,Nader Tabatabaee. A Thermodynamic-Based Large Deformation Viscoplastic Constitutive Relationship for Asphalt Concrete Compaction[J]. International Journal of Solids and Structures,2019.

[9]刘少飞,屈银虎,王崇楼,王彦龙,成小乐,王柯.金属和合金高温变形过程本构模型的研究进展[J].材料导报,2018,32(13):2241-2251 2277.

[10]严杰,潘清林,李安德,宋文博.Al-6.2Zn-0.70Mg-0.30Mn-0.17Zr合金基于Arrhenius模型与ANN模型的热压缩流变行为（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2017,27(03):638-647.

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