近年来,随着航空航天发动机使用性能的不断提高(关键部件大量采用难变形材料整体性结构设计),而现有大吨位锻造设备的发展速度已经无法满足大尺寸钛合金盘轴锻件对成形载荷的要求,因此研发钛合金大尺寸盘轴件“低载高效”成形方法迫在眉睫。本文研发的轴向闭式辗压技术(Axial Closed Die Rolling,简称ACDR)的成形特点符合此类需求,因此,对此成形技术理论的深入研究有着重要的理论及实际意义。针对目前国内外对钛合金大尺寸盘轴件“低载高效”成形方法的需求,本文以钛合金盘件ACDR成形过程为研究对象,结合有限元模拟分析及验证,以金属塑性流动行为特征、优化后的工艺参数、热力参数演变规律及组织性能调控技术为研究目标,对其压缩行为、扭转行为、热力参数分布及组织性能演变进行了系统性研究,主要研究内容和结果体现在:利用建立的ACDR成形过程有限元分析模型,明晰了局部塑性变形区演化规律。①接触区:随着轴向压缩率η、轴向压下速度v及速比v/ω的增大,下模转速ω、上模倾角γ的减小,接触区张角、接触弧长、咬入区弧长、脱出区弧长逐渐增大;②接触区轴向截面:随着ω、γ增大,v及v/ω减小,瞬时半径及瞬时最大半径逐渐增大。随着η、v、ω、v/ω增大,γ减小,瞬时最小半径增大。随着η、v、v/ω增大,γ、ω减小,瞬时最大半径高度减小;③三向流线扭转:径向拉伸程度对应变增量影响较大。基于接触区瞬时半径的精确计算,对接触面积系数λ进行了修正:λ=0.45(?),此方程的平均误差小于3.7%;解析变形区任意质点运动规律,建立了阿基米德螺线轨迹方程:Rηu=R0+a1+b1η/c1+d1ηθ,此方程的平均误差小于4.2%。建立了优化工艺目标函数Dop:Dop=Dlti+Dlfp+Dtu。其中Dlti代表载荷及扭矩增长幅度,Dlpf代表流动均匀性,Dtu代表热力参数均匀性,并采用响应面法结合有限元模拟对方案进行了设计和优化,据此模型获得了优化工艺参数:v/ω为6/1、γ 为 6°。通过对ACDR局部塑性变形区及常规锻造成形的对比分析,明确了其热力参数演变规律:ACDR成形过程时应变增幅显著,远大于常规锻造,温度均匀程度较高。ACDR瞬时最大正应变及切应变均大于0.8。ACDR最大等效应变达到1.75(常规锻造1.25),最大温差为42℃(常规锻造100℃)。对ACDR成形钛合金盘件组织演变及硬度分布规律探讨后发现:初生α相含量、直径及片层α相厚度均要小于常规锻造,可明显细化晶粒;扭转、周期性及梯度性热力参数对组织分布及性能影响较大,各区域组织细化程度不同;异型盘ACDR成形后各区域组织较为均匀,晶粒细化程度显著,初生α相含量在33%左右,相尺寸为2.75μm,平均晶粒细化程度为90.83%;上表面转角区可以观察到纳米相晶粒,最小纳米相晶粒尺寸为50nm,应变为7.5,该区域平均晶粒细化程度高达99.83%,因此ACDR具备高效且持续组织细化的特点。基于已掌握的ACDR运动学规律及组织调控方法,针对过去常采用高负荷且复杂制坯成形工艺的难变形合金回转体制品,研发了 TC11薄壁件、超高强度钢碗形件及合金钢车轮盘件等的ACDR低载高效成形工艺,皆可实现单火次成形,效率高成本低。