学科专业：材料加工工程

论文题目：TA15钛合金薄壁筒形构件轧-旋成形极限研究

答 辩 人：郭靖

指导教师：詹  梅 教授

时    间：2018年11月29日上午9: 30

地    点：西工大友谊校区公字楼322

一、学位论文简介

高性能、轻量化、高可靠的钛合金薄壁构件在航空航天等高新技术领域有着广泛的需求。然而，如何实现构件的整体成形并提高其成形极限这一难题一直制约着钛合金薄壁筒形构件的应用。轧-旋连续成形技术结合环轧成形技术和旋压成形技术的工艺优势，是突破工艺固有成形极限、拓展成形构件尺寸极限，实现该类构件高效、精确、整体制造的新思路。由于轧-旋连续成形过程的特殊性、构件结构的薄壁特性以及钛合金热加工过程对裂纹的敏感性，成形中极易出现损伤断裂等成形缺陷。同时，由于缺乏对该过程微观组织和损伤断裂的机理、规律及其与之间的定量关联研究，难以精确预测材料的损伤断裂，限制了轧-旋成形高成形极限的充分发挥，阻碍了这一先进成形技术的发展。因此，本文将实验、理论分析和有限元数值模拟有机结合，对钛合金大型复杂整体构件薄壁筒形构件轧-旋成形微观组织和损伤断裂行为进行系统深入的研究。

本文取得的主要创新与贡献如下：

(1) 揭示了TA15钛合金两相区热拉伸变形的微观组织演化及其对损伤断裂行为的影响机制，发现随温度升高和应变速率降低，连续动态再结晶转变为非连续动态再结晶，动态再结晶体积分数增加，相界面和晶界面处应力集中程度降低，使得微孔洞形核率降低，长大速度减慢，聚合间距减小且聚合更难发生，断裂应变呈指数规律增加。

(2) 建立了以位错密度为内变量并考虑动态再结晶演化的微观组织模型；采用指数函数描述动态再结晶演化对微孔洞形核应变、生长系数和临界孔洞体积分数的作用规律，并将应力状态系数引入GTN模型表征剪切作用对微孔洞演化的影响，建立了耦合微观组织演化和应力状态的损伤断裂模型；采用上述模型计算并修正流动应力，实现了耦合微观组织和损伤断裂的TA15钛合金热变形统一本构建模。

(3) 建立了TA15钛合金薄壁筒形件轧-旋连续成形全过程微观组织和损伤断裂有限元预测模型；揭示了轧-旋连续成形中微观组织和损伤分布与演化规律，发现旋压过程中工件内表面再结晶程度最低，最有可能发生损伤断裂缺陷；探明了关键成形参数对轧-旋成形微观组织和损伤断裂的定量影响规律。

(4) 基于逐步搜索法，确定了满足微观组织参数范围要求的TA15钛合金薄壁筒形件轧-旋连续成形极限（极限减薄率）；获得了成形参数对成形极限的影响规律和最优成形极限的成形参数组合：温度850℃；4道次旋压；进给比1.5mm/r；旋轮圆角半径25mm。

二、攻读博士学位期间以第一作者（或导师第一）发表的与学位论文相关的学术论文

1.J. Guo, M. Zhan, Y.Y. Wang, P.F. Gao. Unified modeling of work hardening and flow softening in two-phase titanium alloys considering microstructure evolution in thermomechanical processes. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 767: 34-45 (SCI: 000446316500005; EI: 20182805539527; 2017 Impact Factor: 3.779)

2.J. Guo, M. Zhan, M.W. Fu, P.F. Gao, F. Ma. Extrapolation based constitutive modeling of flow stress of titanium alloy sheet under hot-working condition. Materials & Design, 2018, 154: 96-107 (SCI: 000436434900010; EI: 20182105226028; 2017 Impact Factor: 4.525)

3.M. Zhan, J. Guo, M.W. Fu, P.F. Gao, H. Long, F. Ma. Formability limits and process window based on fracture analysis of 5A02-O aluminium alloy in splitting spinning. Journal of Materials Processing Technology, 2018, 257: 15-32 (SCI: 000431161400003; EI: 20180904839141; 2017 Impact Factor: 3.647)

4.M. Zhan, J. Guo, M.W. Fu, R. Li, P.F. Gao, F. Ma. Formation mechanism and control of flaring in forward tube spinning. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 94: 59-72 (SCI: 000419114100006; EI: 20172903953141; 2017 Impact Factor: 2.601)