Ti-6Al-4V粉末压制本构模型研究

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钛及钛合金由于其密度低、焊接性能良好、比强度和刚度高、无磁、良好的耐腐蚀及优异的生物相容性等特点,在航天、航空、汽车、船舶、海洋工程、装甲和生物医疗等方面有着广泛的应用。Ti-6Al-4V合金的使用量占到钛及钛合金总使用量的八成左右,是钛合金中的王牌合金,研究Ti-6Al-4V合金零件的成形对整个钛合金的使用及发展至关重要。Ti-6Al-4V粉末冶金技术可以避免钛合金锻造和铸造过程中的种种缺陷与不足,继承并结合两者的优势,有着良好的发展前景。随着对Ti-6Al-4V粉末冶金技术研究的深入,人们需要对Ti-6Al-4V粉末冶金工艺中的压制过程进行模拟分析,而本构模型决定着Ti-6Al-4V粉末压制成形过程分析的准确性。由于Ti-6Al-4V粉末压制成形过程非常复杂,目前仍没有一个公认的本构模型描述其压制成形过程。鉴于此,本文通过实验建立了Ti-6Al-4V粉末压制的修正Drucker-Prager Cap本构模型,并用有限元软件ABAQUS对建立的模型进行了模拟验证,分析了模壁摩擦系数、压制方式和高径比对压坯平均相对密度及密度分布的影响规律。  首先,在室温下通过单轴压缩实验、巴西圆盘实验以及模压实验,经计算建立了Ti-6Al-4V粉末冷模压制的修正Drucker-Prager Cap本构模型,得到了模壁摩擦系数随压制力变化的关系。当上模冲压力小于某一值(50MPa)时,随上模冲压力的增加,模壁摩擦系数逐渐减小;当上模冲压力大于该值(50MPa)后,上模冲压力增加,模壁摩擦系数基本不变。  然后将建立的Ti-6Al-4V粉末冷模压制的修正Drucker-Prager Cap本构模型进行ABAQUS模拟验证。模拟结果表明,ABAQUS模拟压制结果与模压实验结果有很高的契合度,说明建立的本构模型能有效的分析Ti-6Al-4V粉末冷模压制成形过程。随后通过ABAQUS软件分析了模壁摩擦系数、压制方式和高径比对压坯致密度及密度分布的影响规律。模拟结果表明,模壁摩擦系数越小,压坯的平均相对密度越高,密度分布范围越小;采用双向压制时,压坯平均相对密度比单向压制高,密度分布更均匀;压坯高径比越大,压坯分层情况越严重,密度分布范围越大,越不均匀。  最后,在80℃、140℃、200℃、260℃下分别进行了热压实验,然后将各温度条件下的压坯进行了相应的单轴压缩实验和巴西圆盘实验,分析归纳了线性剪切破坏面参数随温度变化的关系,进而建立了Ti-6Al-4V粉末随压制温度变化的修正Drucker-Prager Cap本构模型,并用ABAQUS软件进行了模拟验证。
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