TA15鈦合金厚板熱軋變形有限元模擬研究

安 震，孫澤輝，劉 兵，齊 銘，丁 旭

(西安航空學(xué)院 材料工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

TA15鈦合金具有比強(qiáng)度高、焊接性良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空航天領(lǐng)域。研究表明，合適的形變工藝可以細(xì)化TA15鈦合金晶粒，提高其綜合性能，因此需要掌握TA15鈦合金的變形規(guī)律。在實(shí)際生產(chǎn)中，利用生產(chǎn)線確定TA15鈦合金厚薄板的變形規(guī)律研究成本高，周期長(zhǎng)，而采用模擬技術(shù)可以有效的降低研究成本，縮短開發(fā)周期。雒亞濤等就利用鈑金成形模擬軟件對(duì)鈦合金弧形零件的沖壓成形回彈進(jìn)行了模擬，提高了鈑金成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

很多研究人員將熱力模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合，通過(guò)建立本構(gòu)方程，研究鈦合金的變形規(guī)律。研究表明，只有在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立比較準(zhǔn)確的屈服強(qiáng)度和熱物性參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，才能得到有價(jià)值的模擬計(jì)算結(jié)果。

為了解TA15鈦合金變形規(guī)律，獲得高品質(zhì)的TA15鈦合金板材，本文利用TA15合金的熱變形實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的本構(gòu)方程，并利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該合金在多道次熱軋過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)等信息，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析了工藝參數(shù)對(duì)熱軋過(guò)程的影響規(guī)律，為TA15鈦合金厚板件熱軋成形提供參考。

1 TA15鈦合金本構(gòu)方程

TA15鈦合金化學(xué)成分如表1所示。

表1 TA15鈦合金化學(xué)成分

TA15鈦合金熱壓縮試樣尺寸為?10 mm×15 mm，其真應(yīng)力應(yīng)變曲線通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫壓縮獲得。變形溫度選定為750 ℃，800 ℃，850 ℃，900 ℃，950 ℃和980 ℃。試樣加熱方法為電頻感應(yīng)加熱，加熱速度為10 ℃/s，加熱至變形溫度，試樣保溫3 min后以恒定的壓縮速率開始熱壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮應(yīng)變速率為0.001 s、0.01 s、0.1 s、1 s。

不同應(yīng)變率下的真應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)壓縮所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用Arrhenius模型，并結(jié)合應(yīng)變率系數(shù)來(lái)計(jì)算應(yīng)變補(bǔ)償，可以得到TA15鈦合金的高溫流變應(yīng)力本構(gòu)方程為

(1)

式中：為相應(yīng)應(yīng)變下的流變應(yīng)力；為應(yīng)變率系數(shù)。

可表示為

(2)

式中：為應(yīng)變速率；為熱變形激活能；R為普適氣體常數(shù)；為絕對(duì)溫度。根據(jù)式(2)可知，TA15鈦合金的熱變形激活能為523.374 kJ/mol。

表2是不同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，將相應(yīng)的參數(shù)帶入本構(gòu)方程，可以得到不同溫度，不同應(yīng)變時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力計(jì)算值。表2中、、都是擬合參數(shù)。

表2 不同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的參數(shù)值

圖2是實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比圖，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值之間的差異很小，誤差在10%以內(nèi)。當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s時(shí)，預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的差異最小，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s時(shí)，預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的差異最大。

圖2 實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比圖

2 軋制工藝模擬

在獲得TA15鈦合金本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件模擬20 mm的TA15鈦合金厚板通過(guò)軋制減薄至10 mm的工藝過(guò)程。變形模擬結(jié)果的有效性采用壓下系數(shù)，寬展系數(shù)和延伸系數(shù)等變形系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。為了接近實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，模擬選擇三道次軋制，壓下量依次為3 mm、3 mm和4 mm。

變形系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

式中：為軋制前TA15鈦合金的厚度；為軋制后TA15鈦合金的厚度。

(4)

式中：為軋制前TA15鈦合金的寬度；為軋制后TA15鈦合金的寬度。

(5)

式中：為軋制前TA15鈦合金的長(zhǎng)度；為軋制后TA15鈦合金的長(zhǎng)度。

軋輥的長(zhǎng)度為

=-

(6)

式中：為鈦合金板件寬度；為與鈦合金板材長(zhǎng)度及寬度有關(guān)參數(shù)，可取=40 mm。

軋輥的長(zhǎng)度與直徑的關(guān)系為

=(12～15)

(7)

軋輥的直徑還應(yīng)滿足

(8)

式中：Δ為第一道次壓下量；=15°。

具體的軋輥尺寸見表3。

表3 軋制模型基本參數(shù)

2.1 軋制參數(shù)的確定

以軋輥轉(zhuǎn)速、預(yù)熱溫度和摩擦系數(shù)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)33正交實(shí)驗(yàn)。軋輥轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為3 rad/s、3.6 rad/s、4.2 rad/s；預(yù)熱溫度分別設(shè)置為850 ℃、950 ℃、980 ℃；摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.3、0.4、0.5。表4為實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表。表中是最大拉應(yīng)力，是最大壓應(yīng)力。

表4 正交實(shí)驗(yàn)表

表5和表6分別為應(yīng)力最大值和最小值的極差分析結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可知，摩擦系數(shù)對(duì)于本次軋制模擬的影響最大，其次是預(yù)熱溫度，最后才是軋輥轉(zhuǎn)速。最優(yōu)的軋制工藝確定為：軋輥轉(zhuǎn)速3.6 rad/s，預(yù)熱溫度950 ℃，摩擦系數(shù)0.3。

表5 σ1最大值的極差分析

表6 σ3最小值的極差分析表

2.2 軋制模擬結(jié)果的驗(yàn)證

在軋制前的TA15鈦合金模型左端角選取兩個(gè)點(diǎn)，選點(diǎn)位置如圖3中標(biāo)注點(diǎn)所示，通過(guò)定點(diǎn)追蹤確定每一道次TA15鈦合金在軋制后的厚度變化。

圖3 軋制后的厚度變化參考點(diǎn)

圖4是TA15鈦合金是模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。第一道次軋制后，TA15鈦合金厚度變?yōu)?7.235 mm，與原設(shè)置相差 -0.235 mm，誤差值±0.5 mm，壓下率為13.825%。第二道次軋制后，TA15鈦合金厚度為14.147 mm，與原設(shè)置相差-0.147 mm，誤差值±0.5 mm，壓下率為13.139%。第三道次軋制后，TA15鈦合金厚度變?yōu)?.974 mm，與原設(shè)置相差0.026 mm，誤差值±0.5 mm，壓下率為29.574%。總壓下量為10.026 mm。計(jì)算可得相對(duì)壓下量為50.13%，為2.005。

圖4 不同道次軋制后厚度理論值與測(cè)量值對(duì)比

TA15鈦合金厚板在不同道次軋制后長(zhǎng)度以及寬度方向上的尺寸變化追蹤點(diǎn)如圖5中標(biāo)注點(diǎn)所示。

圖5 不同道次后長(zhǎng)度及寬度方向尺寸變化參考點(diǎn)

圖6是TA15鈦合金厚板在不同道次軋制后長(zhǎng)度和及寬度方向上的尺寸變化。根據(jù)定點(diǎn)追蹤方法測(cè)得未軋制前TA15鈦合金板材長(zhǎng)為200 mm，而軋制后測(cè)得長(zhǎng)度方向尺寸變?yōu)榱?63.636 mm，相對(duì)延伸率為81.8%，為1.818。未軋制前TA15鈦合金板材寬為100 mm，而軋制后測(cè)得寬度方向尺寸變?yōu)榱?10.287 mm，相對(duì)寬展量為10.3%，為1.103。由公式(6)計(jì)算可得壓下系數(shù)約為2.005。

=

圖6 不同道次軋制后長(zhǎng)度和寬度方向上的尺寸變化

根據(jù)體積不變?cè)?，以及變形系?shù)的關(guān)系可見本次仿真模擬所建立的模型輸出的數(shù)據(jù)和所得到的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的，建立的模型在軋制過(guò)程中也沒(méi)有出現(xiàn)寬展過(guò)大，咬入困難等問(wèn)題。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)TA15鈦合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，計(jì)算得到了Z參數(shù)的應(yīng)變補(bǔ)償后的TA15鈦合金的Arrehenius本構(gòu)方程。通過(guò)模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，驗(yàn)證了方程的穩(wěn)定性和有效性。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)確定了軋制試驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)為：預(yù)熱溫度設(shè)為950 ℃，軋輥轉(zhuǎn)速設(shè)為3.6 rad/s，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3。其中對(duì)TA15鈦合金厚板軋制變形質(zhì)量影響最大的是摩擦系數(shù)。

(3)使用定點(diǎn)追蹤方法計(jì)算出TA15鈦合金在不同道次加工后個(gè)方向上的尺寸變化。壓下系數(shù)為2.005，延展系數(shù)為1.818，寬展系數(shù)為1.103，三個(gè)系數(shù)滿足變形系數(shù)關(guān)系公式。所以，本次仿真模擬所建立的模型輸出的數(shù)據(jù)和所得到的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的。