开题报告课题名称基于TC11涡轮盘的正交试验设计与有限元模拟分析课题来源C课题类型4导师姓名刘劲松学生姓名梁新君班级学号0405010131专业材料成型及控制工程一．课题背景及研究意义钛及其合金具有密度小、强度高、耐腐蚀性好、高低温性能优异、生物相容性好（钛对人体生物组织液是稳定的，和人体细胞相容性好）等特点，其在300~600℃时的比强度优于钢和铝合金；在海水中的抗蚀性能之强超过不锈钢可与白金相比；利用其无磁的性能制成舰艇，不会引起磁性雷的爆炸；利用其优良的低温性能和重量轻的特点可将其用作制造液氢液氧火箭发动机或载人飞船上使用的超低温容器和贮箱[1,2]。钛合金是与铝、复合材料相并列的“材料三大支柱”之一，在国民经济中拥有至关重要的战略地位，目前被应用于国民经济的众多领域，如，航空、宇航、海洋、兵器、化工、轻工、能源、医疗卫生、交通运输、休闲行业等军用及民用领域，是节能、高效、环保的全能金属。自20世纪50年代以来，钛合金在航空上的应用日益广泛，成为航空航天、兵器等行业不可或缺的主要结构材料之一，通常用来制造飞机结构的隔框、蒙皮、翼梁，航空发动机的风扇叶片和盘等。有资料表明，当飞机的飞行速度达到音速的2.7倍时，飞机结构表面温度可达230℃，而通常Al在150℃，不锈钢在130℃即失去了原有的性能，这时就需要改用钛合金来代替不锈钢、铝合金以及镁合金。钛的耐热性能好，它可用于航空发动机，飞机后机身以及受发动机散热影响的部位。我国于2002年设计定型的昆仑涡喷发动机是我国第一个拥有完全自主知识产权的航空发动机，钛用量为15%。即将设计定型的我国第一台拥有自主知识产权的涡扇发动机又进一步把用钛量提高到25%，而目前，国外先进发动机的钛用量可达到20%～35%，这表明我国设计制造的发动机的钛用量已经相当于国际先进水平。国外在飞机用材中钛的比例，A380客机为10%，波音787则将达到15%，第四代战斗机F-35是27%，F-22更是高达41%。我国战斗机的钛用量也在不断扩大：20世纪80年代开始服役的歼八系列的钛用量为2%，两种新一代战斗机的钛用量分别为4%和15%，更新一代的高性能新型战斗机的钛用量将达25%～30%。可以说，钛在飞机和航天工业上的消耗量是衡量一个国家综合技术水平的重要参数之一。大量资料及事实表明，在飞机及发动机的制造中采用钛合金代替铝合金及钢材料，不仅可以大幅度地减轻结构重量，提高飞行速度，同时也为实现超声速飞行之后产生的热障问题的克服带来了曙光[3]。TC11钛合金是一种马氏体型α+β两相热强钛合金，稳定状态下β相含量为5~25%，从β区急剧冷却时，产生α相的马氏体组织。它具有重量轻，比强度高，中温性能好，耐腐蚀等优点。TC11钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-1.5Zr-3.5Mo-0.3Si，另外还有少量的Fe，O，H，C。其中Al、Zr金属元素主要用于固溶强化α相，添加Mo、Si为了固溶强化β相。Mo在α钛中的溶解度不超过1%，在一般的β稳定元素中，Mo的扩散系数最低，加入后能够减慢原子的扩散过程，而且Mo的β稳定效应极强，所以，Mo的添加不仅能有效地提高室温和高温的强度，又提高了热稳定性。Zr是与钛最相似的元素之一，钛的α和β晶体结构与Zr的相应晶体结构组成连续的固溶体系列，不论Zr的浓度如何，β相不能用淬火固定而转变为α马氏体相。Zr对钛的同素异晶转变温度的影响相当小，属于中性强化剂，但是由于Zr的加入不会降低原子间的结合力，因此也能保证合金的热强性。在热强钛合金中，Si是提高热强性、耐热性的重要微量合金元素之一，加入0.15~0.35%Si(硅在α钛中的溶解度的范围内)即可形成可能对提高热强性起一定作用的Ti5Si3钛硅化物；并且，当Si与Zr共存时，会形成弥散的复杂硅化物，沉积于活动位错上，阻碍位错运动，提高合金的抗蠕变性能。TC11钛合金作为一种α+β型高温热强钛合金，不仅具有一般钛合金的优点，而且可以在500℃以上长期工作，并保持良好的机械性能。在发动机的压气机部位可取代高温合金和不锈钢及Ti-6Al-4V合金（能在350℃下长期工作），在飞机的高温部位（如后机身等）可取代高温使用性能不能满足要求的铝合金，因此，TC11钛合金已被广泛应用于制造航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒等，是航空发动机零部件的理想材料。除此之外，TC11钛合金还具有良好的工艺性能，可以进行热加工、焊接和各种形式的机加工等。TC11钛合金的相变点为1000℃左右，选择合理的热处理制度和锻造工艺参数可以获得预期的显微组织和良好的力学性能[1]。我国的621研究所、清华大学、哈工大、西工大，宝钢集团[2]等单位对钛合金开展了一些相关研究，如其变形机理[3]、工艺流程等，虽然从理论到生产做了很多相关工作，也研制出多种