CN105677949A - Tc6钛合金锻件微观组织参数的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TC6钛合金锻件微观组织参数的预测方法，用于解决现有锻件微观组织参数的预测方法实用性差的技术问题。技术方案是该方法首先确定TC6钛合金的锻造变形温度、应变速率和应变的9个隶属函数和27条模糊规则，再建立TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学模型；采用TC6钛合金高温压缩变形实验数据，优选出模糊规则权系数和权值，然后代入TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学模型，得到TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和体积分数的预测模型。本发明方法预测的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和体积分数的测试样本结果与实验结果之间的最大误差小于5％，具有较高的准确性，且实用性强。

Description

TC6钛合金锻件微观组织参数的预测方法

技术领域

本发明涉及一种锻件微观组织参数的预测方法，特别是涉及一种TC6钛合金锻件微观组织参数的预测方法。

背景技术

在钛合金锻造变形技术领域，在确保锻件形状和尺寸精度的同时，更加注重锻件的力学性能。锻件力学性能直接由锻件的微观组织决定。因此，在不改变材料成分的前提下，通过优化工艺参数合理有效地控制锻造工艺，可以获得满足设计要求的微观组织与力学性能。特别是，钛合金代表的难变形金属材料一般用于制造关键锻件，需要通过获得好的微观组织保证其锻件的力学性能。

文献1“锻造成形微观组织优化建模及应用[J]，王广春，管婧，赵国群，塑性工程学报，2005，5：49－53”公开了一种以晶粒分布均匀性和细小化为目标，采用钢的微观组织模型，结合有限元数值模拟方法，对45钢圆柱体镦粗过程进行了优化。该方法采用传统的Yada模型，但是Yada模型仅适合于普通碳素钢锻件奥氏体晶粒尺寸的计算。

文献2“专利申请号是CN200810234559的中国发明专利”公开了一种含氮奥氏体钢微观组织预测方法。该方法由输入模块、计算模块和输出模块组成，其中计算模块包括高温δ相体积分数计算模块、氮化物Cr₂N在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间计算模块和低温ε和α马氏体的开始转变温度计算模块。因此，文献2提出的微观组织预测方法仅适合于含氮奥氏体钢在热处理条件下的微观组织参数计算，也不能预测含氮奥氏体钢在锻造变形条件下的微观组织参数。

钛合金与钢、铝合金、铜合金、镁合金等材料有截然不同的微观组织，并且钛合金的微观组织对锻造变形工艺参数特别敏感，对锻造工艺参数设计与优化的影响特别显著。同时，预测钛合金锻造变形时微观组织参数的难度特别大。因此，预测钛合金锻件锻造变形时的微观组织参数是一项国际性难题。对α+β型钛合金进行锻造变形时，初生α相的晶粒尺寸和体积分数是决定其锻件力学性能的基本因素。因此，确定钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数是其锻造工艺优化设计的基本前提。

发明内容

为了克服现有锻件微观组织参数的预测方法实用性差的不足，本发明提供一种TC6钛合金锻件微观组织参数的预测方法。该方法首先确定TC6钛合金的锻造变形温度、应变速率和应变的9个隶属函数和27条模糊规则，再建立TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学模型；采用TC6钛合金高温压缩变形实验数据，优选出模糊规则权系数和权值，然后代入TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学模型，得到TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和体积分数的预测模型。本发明预测的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和体积分数的测试样本结果与实验结果之间的最大误差小于5％，表明本发明所提供的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和体积分数的预测方法具有较高的准确性和可靠性，可为实际生产优选出合适的锻造变形工艺，节省大量的人力和物力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种TC6钛合金锻件微观组织参数的预测方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、采用机械加工方法将TC6钛合金棒材加工成热模拟压缩试样，在热模拟试验机上进行高温压缩变形实验，在压缩变形实验前保温，压缩变形时采用高温润滑剂保护，以防止TC6钛合金氧化；

步骤二、对步骤一得到的TC6钛合金热模拟压缩变形试样进行定量金相分析，得到TC6钛合金初生α相在不同锻造变形条件下的晶粒尺寸和体积分数；

步骤三、对TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率和应变ε进行归一化处理；其中，变形温度T的单位是K，应变速率的单位是s^-1。

步骤四、将TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率和应变ε设为输入变量，上述三个输入变量划分为大、中、小三个子集，表示为{LA，MI，SM}，晶粒尺寸d_α或体积分数f_α设为输出函数值；其中，晶粒尺寸d_α的单位是μm，体积分数f_α的单位是％；

步骤五、确定TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率和应变ε在三个子集的隶属函数分别为，

对于锻造变形温度：

对于应变速率： ${\mathrm{LA}}_2\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}>{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_L\\ \exp \[\frac{-{(\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_L)}^2}{B_{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}}\]& \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\≤{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_L\end{array}\right.---\left(2a\right)$

对于应变：

式中，B_j为隶属函数的方差，T_L、T_S分别为绝对锻造变形温度的最大值、最小值， 分别为应变速率的最大值、最小值，ε_L、ε_S分别为应变的最大值、最小值。

步骤六、确定TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率和应变ε的模糊规则为，

模糊规则i：如果T是LA，是LA，ε是LA，

则，输出函数值

模糊规则权值

式中，wⁱ为第i条模糊规则的权值，为第i条模糊规则的权系数，Λ为模糊算子的极小运算；

步骤七、建立TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸或体积分数的预测模型为，

式中，m为模糊规则数，根据模糊区域划分，m＝3³；

步骤八、从TC6钛合金热模拟压缩变形和定量金相实验中获得的锻造变形温度、应变速率、应变、晶粒尺寸、体积分数组合中选取多组数据组合为教师样本。采用教师样本对预测模型式(5)进行训练，当晶粒尺寸或体积分数的累计误差小于2％时，确定模糊规则的权系数和和模糊规则的权值wⁱ。将确定的模糊规则权系数和模糊规则权值代入式(5)，即为TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸或体积分数的预测模型。

本发明的有益效果是：该方法首先确定TC6钛合金的锻造变形温度、应变速率和应变的9个隶属函数和27条模糊规则，再建立TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学模型；采用TC6钛合金高温压缩变形实验数据，优选出模糊规则权系数和权值，然后代入TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学模型，得到TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和体积分数的预测模型。本发明方法预测的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸的测试样本结果与实验结果之间的最大误差为4.45％，TC6钛合金锻件初生α相体积分数的测试样本结果与实验结果之间的最大误差为4.62％。表明本发明所提供的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和体积分数的预测方法具有较高的准确性和可靠性，可为实际生产优选出合适的锻造变形工艺，节省大量的人力和物力。

下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

具体实施方式

实施例1：TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸的预测。

(1)将直径35mm的供应态TC6钛合金棒材进行机械加工，得到直径为8mm，高度12mm的热模拟压缩试样；

(2)用无水乙醇清洗TC6钛合金试样，在其清洗表面涂敷玻璃润滑剂；

(3)选取锻造变形温度1073K、1103K、1133K、1163K、1193K、1223K、1253K、1283K、1313K，应变速率0.001、0.01、1、10、50s^-1，最大应变0.69；将TC6钛合金放置在Thermecmaster-Z型热模拟压缩试验机工作台中央，保温5min后对TC6钛合金进行压缩变形实验，压缩变形实验后吹氮气快冷至室温；

(4)将压缩变形实验后试样沿轴线取一半，用HF:HNO₃:H₂O腐蚀液腐蚀得到金相试样，LABOR-LUX12MFS/ST定量金相显微镜上测量TC6钛合金锻造变形时初生α相晶粒尺寸；

(5)对TC6钛合金的锻造变形温度(T，K)、应变速率(s^-1)、应变(ε)进行归一化处理；设锻造变形温度为输入变量T、应变速率为输入变量应变为输入变量ε，晶粒尺寸(d_α，μm)为函数输出值；

(6)确定TC6钛合金的锻造变形温度、应变速率、应变在三个子集的隶属函数分别为，

对于锻造变形温度：

对于应变速率：

对于应变：

(7)确定TC6钛合金的锻造变形温度、应变速率、应变的模糊规则分别为，

模糊规则1：如果T是LA，是LA，ε是LA，

则，输出函数值

模糊规则权值

模糊规则2：如果T是MI，是MI，ε是MI，

则，输出函数值

模糊规则权值

模糊规则3：如果T是SM，是SM，ε是SM，

则，输出函数值

模糊规则权值

┇

模糊规则27：如果T是SM，是SM，ε是SM，

则，输出函数值

模糊规则权值

(6)TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸的预测模型为，

(7)选取TC6钛合金初生α相晶粒尺寸的教师样本如表1所示。采用教师样本对晶粒尺寸的预测模型式(13)进行训练，当晶粒尺寸的累计误差小于2％时，优选出模糊规则权系数和模糊规则权值(wⁱ)的各值。

(8)将确定的模糊规则权系数和权值代入式(13)，即为TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸的预测模型。TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸的测试样本预测值与实验值比较如表2所示，最大误差为4.45％。从而证明本发明所提供的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸的预测方法具有较高的准确性和可靠性。

表1.TC6钛合金初生α相晶粒尺寸的教师样本

表2.TC6钛合金初生α相晶粒尺寸的测试样本

实施例2：TC6钛合金锻件初生α相体积分数的预测。

与实施例1的实施步骤不同是在步骤(4)中测定体积分数，步骤(5)中设体积分数(f_α,％)为函数输出值；

TC6钛合金锻件初生α相体积分数的预测模型为，

选取TC6钛合金初生α相体积分数的教师样本如表3所示。采用教师样本对体积分数的预测模型式(14)进行训练，当体积分数的累计误差小于2％时，优选出模糊规则权系数和模糊规则权值(wⁱ)的各值。

将确定的模糊规则权系数和权值代入式(14)，即为TC6钛合金锻件初生α相体积分数的预测模型。TC6钛合金锻件初生α相体积分数的测试样本预测值与实验值比较如表4所示，最大误差为4.45％。从而证明本发明所提供的TC6钛合金锻件初生α相体积分数的预测方法具有较高的准确性和可靠性。

表3.TC6钛合金初生α相体积分数的教师样本

表4.TC6钛合金初生α相体积分数的测试样本

其余步骤与实施例1的实施步骤相同。

Claims (1)

1.一种TC6钛合金锻件微观组织参数的预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、采用机械加工方法将TC6钛合金棒材加工成热模拟压缩试样，在热模拟试验机上进行高温压缩变形实验，在压缩变形实验前保温，压缩变形时采用高温润滑剂保护，以防止TC6钛合金氧化；

步骤二、对步骤一得到的TC6钛合金热模拟压缩变形试样进行定量金相分析，得到TC6钛合金初生α相在不同锻造变形条件下的晶粒尺寸和体积分数；

步骤三、对TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率和应变ε进行归一化处理；其中，变形温度T的单位是K，应变速率的单位是s^-1；

步骤四、将TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率和应变ε设为输入变量，上述三个输入变量划分为大、中、小三个子集，表示为{LA，MI，SM}，晶粒尺寸d_α或体积分数f_α设为输出函数值；其中，晶粒尺寸d_α的单位是μm，体积分数f_α的单位是％；

步骤五、确定TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率和应变ε在三个子集的隶属函数分别为，

对于锻造变形温度： ${\mathrm{LA}}_1\left(T\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& T>T_L\\ \exp \[\frac{-{(T-T_L)}^2}{B_T}\]& T>T_L\end{array}\right.---\left(1a\right)$

${\mathrm{MI}}_1\left(T\right)=\exp \[\frac{-{(T-(T_L+T_S)/2)}^2}{B_{T_0}}\]---\left(1b\right)$

${\mathrm{SM}}_1\left(T\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& T<T_S\\ \exp \&lsqb;\frac{-{(T-T_S)}^2}{B_T}\&rsqb;& T\&GreaterEqual;T_S\end{array}\right.---\left(1c\right)$

对于应变速率： ${\mathrm{LA}}_2\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}>{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_L\\ \exp \&lsqb;\frac{-{\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_L\right)}^2}{B_{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}}\&rsqb;& \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\&le;{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_L\end{array}\right.---\left(2a\right)$

${\mathrm{MI}}_2\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)=\exp \&lsqb;\frac{-{\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}-\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_L+{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_S\right)/2\right)}^2}{B_{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_0}}\&rsqb;---\left(2b\right)$

${\mathrm{SM}}_2\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}<{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_S\\ \exp \&lsqb;\frac{-{\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_S\right)}^2}{B_{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}}\&rsqb;& \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\&GreaterEqual;{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_S\end{array}\right.---\left(2c\right)$

对于应变： ${\mathrm{LA}}_3\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&epsiv;}>{\mathrm{\&epsiv;}}_L\\ \exp \&lsqb;\frac{-{(\mathrm{\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}_L)}^2}{B_{\mathrm{\&epsiv;}}}\&rsqb;& \mathrm{\&epsiv;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&epsiv;}}_L\end{array}\right.---\left(3a\right)$

${\mathrm{MI}}_3\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=\exp \&lsqb;\frac{-{(\mathrm{\&epsiv;}-({\mathrm{\&epsiv;}}_L+{\mathrm{\&epsiv;}}_S)/2)}^2}{B_{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}}\&rsqb;---\left(3b\right)$

${\mathrm{SM}}_3\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&epsiv;}<{\mathrm{\&epsiv;}}_S\\ \exp \&lsqb;\frac{-{(\mathrm{\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}^2}{B_{\mathrm{\&epsiv;}}}\&rsqb;& \mathrm{\&epsiv;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&epsiv;}}_S\end{array}\right.---\left(3c\right);$

式中，B_j为隶属函数的方差，T_L、T_S分别为绝对锻造变形温度的最大值、最小值， 分别为应变速率的最大值、最小值，ε_L、ε_S分别为应变的最大值、最小值；

步骤六、确定TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率和应变ε的模糊规则为，

模糊规则i：如果T是LA，是LA，ε是LA，

则，输出函数值 $y^i=p_0^i+p_1^{i}T+p_2^i\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}+p_3^i\mathrm{\&epsiv;}---\left(4a\right)$

模糊规则权值 $w^i={\mathrm{\&mu;}}_1^i\left(T\right){\mathrm{\&Lambda;\&mu;}}_2^i\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right){\mathrm{\&Lambda;\&mu;}}_3^i\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)---\left(4b\right)$

式中，wⁱ为第i条模糊规则的权值，为第i条模糊规则的权系数，Λ为模糊算子的极小运算；

步骤七、建立TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸或体积分数的预测模型为，

d_α或 $f_{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}\&lsqb;\left({\mathrm{\&mu;}}_1^i\right(T\left){\mathrm{\&Lambda;\&mu;}}_2^i\right(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\left){\mathrm{\&Lambda;\&mu;}}_3^i\right(\mathrm{\&epsiv;}\left)\right)(p_0^i+p_1^{i}T+p_2^i\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}+p_3^i\mathrm{\&epsiv;})\&rsqb;}{\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}\&lsqb;{\mathrm{\&mu;}}_1^i\left(T\right){\mathrm{\&Lambda;\&mu;}}_2^i\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right){\mathrm{\&Lambda;\&mu;}}_3^i\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)\&rsqb;}---\left(5\right)$

式中，m为模糊规则数，根据模糊区域划分，m＝3³；

步骤八、从TC6钛合金热模拟压缩变形和定量金相实验中获得的锻造变形温度、应变速率、应变、晶粒尺寸、体积分数组合中选取多组数据组合为教师样本；采用教师样本对预测模型式(5)进行训练，当晶粒尺寸或体积分数的累计误差小于2％时，确定模糊规则的权系数和和模糊规则的权值wⁱ；将确定的模糊规则权系数和模糊规则权值代入式(5)，即为TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸或体积分数的预测模型。