Finite Element Modelling of Titanium Aluminides

• Autorzy: Sizova I. , Sviridov A. , Günther M. , Bambach M.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie metodą elementów skończonych glinków tytanu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hot forging is an important process for shaping and property control of lightweight titanium aluminide parts. Dynamic recrystallization and phase transformations play an essential role for the resulting grain size and accordingly the mechanical properties. Due to the fact that titanium aluminides require forging under isothermal conditions, reliable process modeling is needed to predict the microstructure evolution, to optimize the process time and to avoid excessive die loads. In the present study an isothermal forging process of a compressor blade made of TNB-V4 (Ti–44.5Al–6.25Nb–0.8Mo–0.1B, at. %) is modeled using the Finite Element (FE) – Software Q-Form. A microstructure model describing the microstructure evolution during forging is presented. To calibrate the model, the high-temperature deformation behavior was investigated using isothermal compression tests. The tests were carried out at temperatures from 1150°C to 1300°C, applying strain rates ranging from 0.001s-1 to 0.5s-1, up to a true strain of 0.9. The experimentally determined flow stress data were described with model equations determined form the course of the strain hardening rate in Kocks-Mecking plots. An isothermal forging process of a compressor blade was carried out and used to validate the results from the FE simulations.

PL

Plastyczna przeróbka na gorąco jest ważnym procesem po-zwalającym nadawać kształt i kontrolować własności wyrobów z glinków tytanu. Dynamiczna rekrystalizacja i przemiany fazowe odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu końcowej wielkości ziarna i, w konsekwencji, własności mechanicznych wyrobu. Ponieważ glinki tytanu wymagają kucia w warunkach izotermicznych, potrzebny jest dokładny model rozwoju mikrostruktury aby umożliwić optymalizację czasu trwania procesu i aby uniknąć przeciążenia matryc. W niniejszej pracy proces kucia łopatki kompresora został zamodelowany metodą elementów skończonych (MES) z wykorzystaniem programu Q-Form. Badanym materiałem był stop TNB-V4 (Ti—44.5Al-6.25Nb-0.8Mo-0.IB, at. %). W pracy przedstawiono zastosowany model rozwoju mikrostruktury. Model został skalibrowany na podstawie wyników prób ściskania na gorąco w warunkach izotermicznych. Badania przeprowadzono w temperaturach w zakresie 1150°C - 1300°C i dla prędkości odkształcenia w zakresie 0.001 s"1 d 0.5 s' . Całkowite odkształcenie w tych próbach wynosiło 0.9. Wyznaczone doświadczalnie naprężenie uplastyczniające zostało opisane za pomocą prędkości umocnienia zgodnie z krzywymi Kocksa-Meckinga. Fizyczny proces kucia łopatki kompresora został wykorzystany do walidacji modelu MES.

Słowa kluczowe

EN

titanium aluminide alloy; hot forming; flow stress; dynamic recrystallization; modeling

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 17, No. 1
• Strony: 51--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Sizova I.

• Chair of Mechanical Design and Manufacturing, Brandenburg University of Technology Cottbus - Senftenberg, Konrad - Wachsmann - Allee 17, Cottbus D-03046, Germany

autor

Sviridov A.

• Chair of Mechanical Design and Manufacturing, Brandenburg University of Technology Cottbus - Senftenberg, Konrad - Wachsmann - Allee 17, Cottbus D-03046, Germany

autor

Günther M.

• Chair of Mechanical Design and Manufacturing, Brandenburg University of Technology Cottbus - Senftenberg, Konrad - Wachsmann - Allee 17, Cottbus D-03046, Germany

autor

Bambach M.

• Chair of Mechanical Design and Manufacturing, Brandenburg University of Technology Cottbus - Senftenberg, Konrad - Wachsmann - Allee 17, Cottbus D-03046, Germany

Bibliografia

• Bambach, M., Sizova, I., Bolz S., Weiß, S., 2016, Devising Strain Hardening Models Using Kocks-Mecking Plots—A Comparison of Model Development for Titanium Aluminides and Case Hardening Steel, Metals, 6(9), 204.
• Beynon, .1.11., Sellars, C.M., 1992, Modelling microstructure and its effects during multipass hot rolling, ISIJ, 32(3), 359- 367.
• Blackwell, P.L., Brooks, J.W., Bate, P.S., 1998, Development of microstructure in isothermally forged Nimonic alloy AP 1, Mat. Sei. and Tech, 14, 1181 -1188.
• Brooks, J.W., Dean, T.A., Hu, Z.M., Wey, E„ 1998, Three- dimensional finite element modelling of a titanium aluminide aerofoil forging, J. of Mater. Proc. Tech., 80-81, 149-155.
• Cheng, L., Xue, X., Tang, B., Kou, H., Li, J., 2014, Flow characteristics and constitutive modeling for elevated temperature deformation of a high Nb containing TiAl alloy, Intermetallics, 49, 23-28.
• Cingara, A., McQueen, H.J., 1992, New formula for calculating flow curves from high temperature constitutive data for 300 austenitic steels, J. Mater. Proc. Tech., 36, 31-42.
• Clemens, H., Kestler, H., 2000, Processing and applications of intermetallic y-TiAl based alloys. Adv. Eng. Mater., 2, 551-570.
• Clemens, H., Smarsly, W., 2011, Light-weight Intermetallic Titanium Aluminides - Status of Research and Development, Adv. Mater. Research, 78, 551-556.
• Godor, F., Werner, R., Lindemann, J., Clemens, H., Mayer, S., 2015, Characterization of the high temperature deformation behavior of two intermetallic TiAl-Mo alloys, Mat. Sc. Eng. A, 648, 208-216.
• Kim, H.Y., Hong, S.H., 1999, Effect of microstructure on the high-temperature deformation behavior of Ti-48A1-2W intermetallic compounds, Mater. Sci. and Eng. A, 271, 382-389.
• Laasraoui, A., Jonas, J.J., 1991, Prediction of steel How stresses at high temperatures and strain rates, Metall. Mat. Trans. A, 22(7), 1545-1558.
• Millett, J.C.F., Brooks, J.W., Jones, I.P., 1999, Assessment and modelling of isothermal forging of intermetallic compounds Part 1 -TiAl, Mat. Sci. and Tech., 15, 697-704.
• Schmoelzer, T., Liss, K.-D., Kirchlechner, C., Mayer, S., Stark, A., Peel, M., Clemens, H., 2013, An in-situ high-energy X-ray diffraction study on the hot-deformation behavior of a /¿-phase containing TiAl alloy, 1ntermetallics, 39, 25-33.
• Schwaighofer, E., Clemens, H., Lindemann, J., Stark, A., May¬er, S., 2014, Hot-working behavior of an advanced intermetallic multi-phase y-TiAl based alloy. Mater. Sci. and Eng. >4, 614, 297-310.
• Semiatin, S.L., Frey, N., El-Soudani, S.M., Bryant, J.D., 1992, Flow Softening and Microstructure Evolution during Hot Working of Wrought Near-Gamma Titanium Aluminides, Metalurgical Trans. A, 23, 1719-1735.
• Semiatin, S.L., Frey, N., Thompson, C.R., Bryant, J.D., 1990, Plastic How behaviour of Ti-48Al-2.5Nb-0.3Ta at hot- working temperatures, Script. Met. et Mater., 24, 1403- 1408.
• Semiatin, S.L., Seetharaman, V., Ghosh, A.K., 1999, Plastic flow, microstructure evolution, and defect formation during primary hot working of titanium and titanium aluminide alloys with lamellar colony microstructures, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 357, 1487-1512.
• Semiatin, S.L., Seetharaman, V., Weiss, I., 1998, Hot workability of titanium and titanium aluminide alloys-an- overview, Mater. Sci. and Eng. A, 243, 1-24.
• Tetsui, T., Shindo, K., Kaji, S., Kobayashi, S., Takeyama, M., 2005, Fabrication of TiAl components by means of hot forging and machining, /ntermetallics, 13, 971-978.
• Werner, R., Lindemann, J., Clemens, H., Mayer, S., 2014, Constitutive Analysis of the Flow Curve Behavior of an Intermetallic β-solidifying y-TiAI-based Alloy and Microstructural Characterization of the Deformed State, BHM Berg- und Hiittenmannische Monatshefte, 159 (7), 286- 288.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).