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热等静压近净成形数值模拟研究现状与展望

机械工程学报 2024年第1期60卷 13-26页

作者：田文卿蔡超郭瑞鹏史玉升华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

热等静压是可实现大尺寸复杂高性能零件近净成形的粉末冶金技术,被广泛应用于航空航天、海洋工程等特种领域中面向严苛服役环境的关键零件的成形制造。数值模拟可为复杂高性能零件包套与型芯设计提供科学依据和热-力耦合作用下粉末致密... 详细信息

热等静压是可实现大尺寸复杂高性能零件近净成形的粉末冶金技术,被广泛应用于航空航天、海洋工程等特种领域中面向严苛服役环境的关键零件的成形制造。数值模拟可为复杂高性能零件包套与型芯设计提供科学依据和热-力耦合作用下粉末致密化提供理论支撑,是实现零件形性可控的重要基石。为此,重点综述了热等静压数值模拟的基本概念、发展历程、研究进展、面临问题和发展方向。首先介绍常用有限元数值模拟本构模型类型、特点和模拟效果,概述有限元指导包套逆向设计方法,随后分析有限元模拟中忽略粉末填充密度分布非均匀性等缺点和局限性,介绍考虑粉末颗粒离散特性的离散元-有限元耦合模拟方法与研究进展,最后展望热等静压数值模拟现有方法的瓶颈与未来潜在发展方向,为从事热等静压领域学者快速了解热等静压模拟的研究动态和发展趋势提供有益参考。

关键词：热等静压近净成形数值模拟航空航天复杂高性能

颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

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精密成形工程 2024年第4期16卷 1-9页

作者：冯效铭张峻凡王东肖伯律马宗义中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为... 详细信息

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

关键词：颗粒增强铝基复合材料粉末冶金体积代表单元 GTN模型近净成形

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液压打桩锤Φ6.5 m砧铁锻件近净成形技术分析与应用

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锻压技术 2023年第6期48卷 1-9页

作者：孙统辉师洪强张鹏豪张彦娟洛阳中重铸锻有限责任公司河南洛阳471039 中信重工机械股份有限公司河南洛阳471039

Φ6.5 m砧铁属于特大型异形锻件,在液压打桩锤工作过程中需承受强烈振动和交变载荷,针对其采用传统自由锻工艺制造时存在的原材料损耗严重、三向性能差异大等问题,提出了Φ6.5 m砧铁锻件近净成形技术,总体工艺方案为自由锻制坯+胎膜锻... 详细信息

Φ6.5 m砧铁属于特大型异形锻件,在液压打桩锤工作过程中需承受强烈振动和交变载荷,针对其采用传统自由锻工艺制造时存在的原材料损耗严重、三向性能差异大等问题,提出了Φ6.5 m砧铁锻件近净成形技术,总体工艺方案为自由锻制坯+胎膜锻成形。采用Forge锻造有限元仿真软件,对Φ6.5 m砧铁锻件的充型过程进行仿真,通过对载荷-行程曲线、充型效果、等效应变的点追踪、金属流动情况、应力状态、等效应变和动态再结晶的分析,优化了成形关键工艺参数及方法,经生产验证,与传统自由锻工艺相比,锻件减重63770 kg,单件节约钢锭126000 kg,解决了充型锻造压力超出设备极限载荷、锻件纤维组织流线不连续等问题,实现了Φ6.5 m砧铁锻件的近净成形。

关键词：液压打桩锤砧铁自由锻胎模锻近净成形

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钛及钛合金粉末近净成形技术研究进展

粉末冶金工业 2022年第3期32卷 34-43页

作者：黄晓刚何勇王健曹夕浩梁祖磊陈小龙海装驻南京地区第四军事代表室江苏南京211100 南京尚吉增材制造研究院有限公司江苏南京210046 南京工业大学材料科学与工程学院江苏南京211816

钛及钛合金制件具有诸多优异性能且比重轻,在航空航天、兵器装备、汽车工业等领域具有广阔的应用前景。与传统锻造机加成形方式相比,钛及钛合金粉末近净成形技术具备材料利用率高、能实现复杂结构快速成形等优势。本文介绍了近净成形用... 详细信息

钛及钛合金制件具有诸多优异性能且比重轻,在航空航天、兵器装备、汽车工业等领域具有广阔的应用前景。与传统锻造机加成形方式相比,钛及钛合金粉末近净成形技术具备材料利用率高、能实现复杂结构快速成形等优势。本文介绍了近净成形用球形钛合金粉末典型制备技术及其特点,其中气雾化法得益于产量大、制造成本较低的优点而使用最为广泛;等离子旋转电极雾化法具有粉末品质高、粒度分布窄等特点,在重点领域、重点应用上受到青睐;等离子雾化法因兼顾细粉收得率和粉末品质而倍受行业及产业链关注。综述了钛及钛合金粉末近净成形技术的研究进展,基于微观组织调控以进一步提升制件性能的研究思路为钛及钛合金粉末近净成形材料及工艺的开发提供了理论支撑,并指出了制件性价比不突出、制造全流程连续性不高、可选用材料不多是当前钛及钛合金近净成形技术存在的主要问题,并提出相应的解决措施。最后展望了未来发展趋势,认为降低粉末制造成本,推进新材料、新工艺开发是钛及钛合金粉末近净成形技术今后的重要研究方向。

关键词：钛及钛合金近净成形粉末制备进展

近净成形制备SiC_p/Al复合材料Ⅱ:SiC预成形坯自发熔渗Z101

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中国有色金属学报 2007年第12期17卷 2023-2028页

作者：刘君武郑治祥吴玉程王建民汤文明吕君徐光青合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009

以超细SiC粉（W7）为原料制备的SiC多孔骨架为先驱体，采用无压渗透工艺制备出致密、增强体分布均匀的SiC／Al复合材料。SiC-Al间存在厚度为0．3-0．5μm的界面层，该界面层能很好地被铝液润湿，并阻止铝液与SiC的接触与反应。SiC坯体... 详细信息

以超细SiC粉（W7）为原料制备的SiC多孔骨架为先驱体，采用无压渗透工艺制备出致密、增强体分布均匀的SiC／Al复合材料。SiC-Al间存在厚度为0．3-0．5μm的界面层，该界面层能很好地被铝液润湿，并阻止铝液与SiC的接触与反应。SiC坯体渗入铝合金后无形状和尺寸的变化，能够实现制品的近净成形。加入SiC后，铝合金的强度显著提高，弹性模量提高近1倍。细颗粒的SiC能更好地抑制铝基体的热膨胀。材料的热学性能可通过SiC的含量来调整，SiC体积分数介于37％至54％之间时，室温导热系数介于136W／（m·K）至118W／（m·K）之间，室温至100℃的平均线热膨胀系数介于9．98×10^-6K^-1至7．69×10^-6K^-1之间。

关键词： SiC/Al 自发渗透近净成形热膨胀

基于变形均匀性的螺旋锥齿轮精锻近净成形工艺研究

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基于变形均匀性的螺旋锥齿轮精锻近净成形工艺研究

作者：卢茂桢石家庄铁道大学

学位级别：硕士

螺旋锥齿轮作为机械传动的关键部件,因其承载能力高、传动平稳等优点广泛被应用于汽车、轮船、飞机等领域。目前传统的螺旋锥齿轮加工方式仍以切削为主,这种加工方式需要用刀具切去齿坯中多余的金属材料,一方面造成了材料浪费、增加了... 详细信息

螺旋锥齿轮作为机械传动的关键部件,因其承载能力高、传动平稳等优点广泛被应用于汽车、轮船、飞机等领域。目前传统的螺旋锥齿轮加工方式仍以切削为主,这种加工方式需要用刀具切去齿坯中多余的金属材料,一方面造成了材料浪费、增加了生产成本;另一方面切削过程中会切断齿坯的金属流线从而降低齿轮的强度和使用寿命。而近净成形精锻出的齿轮仅需少量切削甚至无需切削就能达到使用要求,从而能够达到减少材料浪费的目的,并且该方式生产的螺旋锥齿轮金属流线连续均匀,使得齿轮强度和使用寿命得到显著提高;同时螺旋锥齿轮齿廓形状复杂,成形过程中极易出现变形不均匀的情况,因此开展基于变形均匀性的螺旋锥齿轮精锻近净成形工艺研究具有较高的实用价值。本文以螺旋锥齿轮的精锻近净成形工艺为研究对象,通过数值模拟和理论分析的方法,对螺旋锥齿轮近净成形全过程进行了研究,分析了其变形均匀性、金属流线演变情况并对其工艺参数进行了优化。主要研究内容如下:(1)确定了螺旋锥齿轮精锻所需棒料的尺寸。基于螺旋锥齿轮的零件图反向设计了其冷锻件图、热锻件图,以此图纸为根据建立了螺旋锥齿轮热锻件的三维模型,从而获取了热锻件的体积,最后依据塑性变形过程中体积不变的原则设计了螺旋锥齿轮的棒料尺寸。(2)基于变形均匀性开展了镦粗、冲孔工序的数值模拟及分析。对镦粗、冲孔两工序开展了均匀性分析:利用有限元软件Deform中的2D-Forming分别对镦粗、冲孔过程中的金属流线演变、应变分布等进行了数值模拟研究,以金属流线和等效应变分布情况为标准判断了锻件的变形均匀性,并通过其金属材料流动情况解释了金属流线发生不同变化的原因。(3)基于变形均匀性开展了环轧工序的数值模拟及参数优化。以Deform中的Ring Roll为平台对环轧工序进行了数值模拟,分析了齿坯端面凹陷、变形不均匀等缺陷产生的原因及金属流线演变情况;以变形均匀性和端面凹陷程度为评价指标,运用正交实验的方法对驱动辊转速、芯辊进给速度、环坯初始温度、驱动辊直径等参数进行了优化:通过对极差和K值的分析,研究了各参数对评价指标的影响,并由此确定了最优参数组合,由该参数组合环轧出的齿坯即保证了内部变形均匀又保证了端面凹陷程度小。(4)基于变形均匀性开展了锻齿工序的数值模拟及参数优化。利用Deform中的3D-Forming模拟了螺旋锥齿轮终锻工序的变形过程,分别研究了齿坯温度、打击速度、摩擦因子、模具温度等工艺参数对螺旋锥齿轮变形均匀性的影响,在此基础上设计了正交实验来对上述工艺参数进行优化,最终获得了能使螺旋锥齿轮具有较好变形均匀性的工艺参数组合。(5)进行了加工试验验证。依据优化得到的工艺参数开展了环轧、锻齿加工试验,结果表明试验得到的齿坯形状规整、尺寸精准且端面平整度高,螺旋锥齿轮填充饱满且金属流线均匀顺畅,这验证了本文参数优化的可行性。

关键词：螺旋锥齿轮近净成形变形均匀性正交实验参数优化

粉末冶金热等静压方法制造的近净成形Ti−45Al−7Nb−0.3W合金的组织及高温力学性能

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2020年第11期30卷 3006-3015页

作者：李慧中车逸轩梁霄鹏陶慧张强陈飞虎韩硕刘彬中南大学材料科学与工程学院长沙410083 中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083 中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室长沙410083

采用热等静压(HIP)方法制造近净成形的Ti−45Al−7Nb−0.3W(摩尔分数,%)合金零件,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)技术研究热等静压制备的Ti−45Al−7Nb−0.3W合金的显微组织和高温力学性能。结果表明,在700... 详细信息

采用热等静压(HIP)方法制造近净成形的Ti−45Al−7Nb−0.3W(摩尔分数,%)合金零件,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)技术研究热等静压制备的Ti−45Al−7Nb−0.3W合金的显微组织和高温力学性能。结果表明,在700℃条件下,热等静压制备的合金的屈服强度和极限抗拉强度分别为534和575 MPa。该合金在850℃时表现出良好的综合力学性能。在变形温度为1000℃、初始应变率为5×10^−5 s^−1时合金表现出超塑性特性。当拉伸温度低于750℃时主要变形机制为位错滑移和机械孪生。当变形温度高于800℃时,位错在晶界堆积,促进晶界滑移和晶粒旋转。

关键词： TiAl合金近净成形粉末冶金高温力学性能

航天超大异形截面铝合金环件稳定轧制与近净成形方法研究

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航天超大异形截面铝合金环件稳定轧制与近净成形方法研究

作者：刘吉康武汉理工大学

学位级别：硕士

超大异形截面铝合金环件在航天运载装备中有着重要应用,如运载火箭燃料储箱过渡环,这类环件具有超大尺寸和异形截面的特点,属于结构难成形环件,此外,铝合金材料变形温度区间窄,轧制工艺相比钢件更加复杂。目前,针对超大异形截面铝合金环... 详细信息

超大异形截面铝合金环件在航天运载装备中有着重要应用,如运载火箭燃料储箱过渡环,这类环件具有超大尺寸和异形截面的特点,属于结构难成形环件,此外,铝合金材料变形温度区间窄,轧制工艺相比钢件更加复杂。目前,针对超大异形截面铝合金环件,主要采用环件轧制工艺成形矩形截面锻件,然后通过大量切削加工获得异形截面轮廓,这种制造方式不仅材料利用率和加工效率低,而且环件的金属流线完整性被破坏,力学性能被削弱。近净轧制成形是该类环件高性能制造的重要发展趋势,但是超大异形截面铝合金环件近净轧制过程尺寸变化大、截面轮廓复杂,且铝合金材料强度较低,造成轧制过程稳定性控制难和异形截面轮廓成形难。因此,本课题针对超大异形截面铝合金环件稳定轧制条件和近净轧制成形方法开展研究。针对超大异形截面铝合金环件轧制过程稳定性控制难的问题,本文首先通过有限元模拟的手段揭示了导向机构参数对环件轧制稳定性影响规律,提出了最佳导向机构参数范围来保证环件轧制过程中的运动稳定;为了防止轧制过程中因导向力过大而引起环件发生塑性失稳,本文通过理论解析提出了超大异形截面铝合金环件刚性稳定数学模型,得到了超大异形截面铝合金环件轧制失稳判据,通过有限元模拟和物理实验进行了模型有效性的验证。该理论模型为超大异形截面铝合金环件稳定轧制过程的导向力控制提供了理论依据。针对超大异形截面铝合金环件近净轧制截面轮廓成形难的问题,本文通过有限元模拟、理论解析的手段揭示了超大异形截面铝合金环件轧制过程中环件几何尺寸参数演变规律,提出了超大异形截面铝合金环件几何演变理论模型和超大异形截面铝合金环件环坯优化设计方法。基于上述研究结果,结合铝合金材料热变形特点,进行轧制过程各火次的环件尺寸参数设计和稳定轧制导向力设计。通过有限元模拟,对超大异形截面铝合金环件近净轧制过程进行了仿真分析,揭示了该技术方案下环件温度场、应变场、轧制力能等变化规律,说明了超大异形截面铝合金环件近净轧制成形的可行性。通过上述研究,本课题建立了超大异形截面铝合金环件稳定轧制条件和近净轧制成形方法,研究结果丰富了超大异形截面环件轧制理论,能够为我国航天运载装备用超大异形截面铝合金环件高性能制造提供理论和技术支撑。

关键词：超大型环件异形截面环件铝合金环件稳定轧制近净成形

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近净成形42CrMo大型锻造轮带的制造

锻造与冲压 2022年第7期 84-87页

作者：赵丽美尚贺军陈淑亮伊莱特能源装备股份有限公司

轮带又称滚圈,是回转窑设备上的主要部件之一。它的作用是把筒体的全部重力(包括耐火砖、内部装置和物料等的重力)传递给托轮,并使筒体能在托轮上平稳地回转,因此轮带要具有足够的强度和耐久性,同时,轮带又是加强筒体径向刚度的零件,因... 详细信息

轮带又称滚圈,是回转窑设备上的主要部件之一。它的作用是把筒体的全部重力(包括耐火砖、内部装置和物料等的重力)传递给托轮,并使筒体能在托轮上平稳地回转,因此轮带要具有足够的强度和耐久性,同时,轮带又是加强筒体径向刚度的零件,因此应该保证足够的刚度。

关键词：轮带托轮滚圈 42CrMo 径向刚度近净成形内部装置耐火砖