CN112948986A - 结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，建立有限元数值模拟模型，包括以下步骤：1)通过等温热压缩实验获得锻件样品流变曲线，对压缩后的锻件样品进行显微组织检测，获得温度‑应变速率‑微观组织之间的对应关系；2)利用有限元数值模拟模型对等温热压缩实验进行数值模拟，获得等效应变与试样显微组织之间的对应关系；3)建立图谱：建立初始显微组织‑热加工工艺参数值‑最终显微组织之间的对应关系；4)根据锻造的最终组织要求，利用图谱确定锻件的热加工工艺参数值；5)输出锻造工艺参数。本发明用于设定和优化TC4钛合金锻造工艺及其参数，降低工艺开发成本，缩短工艺开发周期，提高锻件质量。

Description

结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，更具体地说，涉及一种结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，特别适用于TC4钛合金锻造工艺参数优化方法。

背景技术

随着航空事业的发展和民用航空市场潜力的不断释放，比强度高、耐腐蚀性良好的钛合金在该领域的应用范围正在扩大、用量正在增加。鉴于钛合金应用领域的特殊性，如何生产出低成本、高稳定性和符合性能要求的钛合金产品成为钛工业界的重要挑战。

在钛合金产品的生产过程中，锻造工序几乎是所有钛合金产品生产的必经工序。大量的生产实践和理论研究表明，对于特定成分的钛合金，其力学性能主要由显微组织决定，而显微组织取决于热加工工艺，包括锻造工艺和后续热处理工艺，其中主要因素为锻造工艺。因此，提高锻件显微组织的均匀性和可控性是钛合金锻造工艺优化的主要目标。

如专利CN101294265A所公开一种钛合金锻造工艺参数的试验方法，主要是一种研究钛合金锻造工艺参数的方法。该方法主要通过物理试验获得锻造温度、变形量与显微组织之间的对应关系，进而应用到工艺参数优化中。但在该方法中变形量为整体的变形量，对应不同形状和规格的锻件，在其内部不同位置处真正的变形程度是不同的，因此其建立的锻造温度、变形量与显微组织之间的对应关系不适用于其他条件下的锻造，如自由锻造。同时这种物理试验方法普遍存在时间周期长、成本高、数据点少等缺点，这严重影响了工艺的开发进程。

在专利CN101833598A所公开一种基于有限元技术和加工图技术来优化金属精确锻造工艺条件的方法，主要是一种基于有限元技术和加工图技术来优化金属精确锻造工艺条件的方法。该方法也采用有限元模拟技术和实验结合进行锻造工艺优化，但主要是利用加工图来进行组织/缺陷预测。其方法是先建立加工图，然后再与组织/缺陷建立对于关系，最后将其运用到有限元软件中来预测组织与缺陷。然而加工图是基于一定的数学模型而建立的，不能很好地反映TC4钛合金热加工工艺与内部组织演变之间的关系。因此该方法不适合用于TC4钛合金在特定锻造工艺参数条件下的内部组织精确预测。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，用于设定和优化TC4钛合金锻造工艺及其参数，降低工艺开发成本，缩短工艺开发周期，提高锻件质量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，建立有限元数值模拟模型，包括以下步骤：

1)通过等温热压缩实验获得锻件样品流变曲线，对压缩后的锻件样品进行显微组织检测，获得温度-应变速率-微观组织之间的对应关系；

2)利用有限元数值模拟模型对等温热压缩实验进行数值模拟，获得等效应变与试样显微组织之间的对应关系；

3)建立图谱：通过步骤1)和2)建立初始显微组织-热加工工艺参数值-最终显微组织之间的对应关系；

4)根据锻造的最终组织要求，利用步骤3)图谱确定锻件的热加工工艺参数值；

5)输出锻造工艺参数：根据锻件的初始几何尺寸和截面形状，设定初步的锻造工艺，然后锻造工艺进行有限元数值模拟，通过调整工艺参数使计算机输出的热加工工艺参数值需符合步骤4)所要求的热加工工艺参数值，得到最终优化后的锻造工艺参数。

所述热加工工艺参数值，包括温度、应变速率和等效应变值。

所述锻件样品的截面形状为方形、圆形、六角形或八角形。

本发明所提供的一种结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，能够实现锻造内部组织控制，从而使技术人员可以直观、准确、高效地获得在特定锻造工艺参数条件下最终锻件内部组织情况，发现工艺中的优缺点，进而对工艺进行改进优化，显著降低工艺开发成本，缩短工艺开发周期，提高锻件质量。

附图说明

图1是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法的工艺流程图；

图2是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法中变形量为70％的等温热压缩过程及有限元数值模拟分析结果；

图3是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例一中TC4钛合金在 1020℃/0.5h/空冷热处理后获得的薄片层组织金相图；

图4是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例一中TC4钛合金流变应力曲线图；

图5是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法中等温热压缩后的样品截面组织观察位置示意图；

图6是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例一对应图5中C3区域的组织观察示意图；

图7是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例一对应图5中B3区域的组织观察示意图；

图8是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例一对应图5中B2、 A3区域的组织观察示意图；

图9是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例一对应图5中C3区域的组织观察示意图；

图10是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例二中TC4钛合金在1020℃/0.5h/水冷热处理后获得的马氏体组织金相图；

图11是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例二对应图5中C3 区域的组织观察示意图；

图12是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例二对应图5中A3、B2区域的组织观察示意图；

图13是本发明钛合金锻造工艺参数优化方法实施例二对应图5中C1、 C2区域的组织观察示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所提供的一种结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，建立有限元数值模拟模型，包括以下步骤：

1)通过等温热压缩实验获得锻件样品流变曲线，对压缩后的锻件样品进行显微组织检测，获得温度-应变速率-微观组织之间的对应关系。试验采用φ8mm×12mm圆柱形样品，在热模拟试验机允许的情况下，可根据实际情况改变样品尺寸(如方形、六角形或八角形等几何形状)；

2)利用有限元数值模拟模型对等温热压缩实验进行数值模拟，获得等效应变与试样显微组织之间的对应关系。如图2所示，通过数值模拟来获得关注区域应变分布，数值模拟材料模型来源于TC4坯料实测流变应力曲线，经摩擦和温升后导入模型，摩擦系数为0.7，网格划分数量约30000，其余参数来源于软件材料数据库。坯料模型来源于样品实际尺寸，镦粗变形工具模型，采用圆钻，直径50mm，上下砧速度根据应变速率调整，砧预热温度为250℃，出炉后转运时间50s，环境温度25℃。

3)建立图谱：通过步骤1)和2)建立初始显微组织-热加工工艺参数值(温度、应变速率和等效应变值)-最终显微组织之间的对应关系；

4)根据锻造的最终组织要求，利用步骤3)图谱确定锻件的热加工工艺参数值(温度、应变速率和等效应变值)；

5)输出锻造工艺参数：根据锻件的初始几何尺寸和截面形状，设定初步的锻造工艺，然后锻造工艺进行有限元数值模拟，通过调整工艺参数使计算机输出的热加工工艺参数值需符合步骤4)所要求的热加工工艺参数值，得到最终优化后的锻造工艺参数。

本发明钛合金锻造工艺参数优化方法用于所有CT4钛合金的自由锻造工艺优化过程，包括镦粗和拔长工艺。

较佳的，由于钛合金导热性较低，在进行热压缩模拟试验时，其上下表面由于降温过快不易发生变形，可将高温合金垫片置于热模拟试验机的压头与样品之间，以减少扩散。

较佳的，样品原始组织与实际锻造样品保持一致可提交试验准确性。

较佳的，样品组织与锻坯组织一致时，应变-温度-组织的关系更精确，因此可在试验进行前分析锻坯组织，并采用合适的热处理制度将样品组织调质成与锻坯组织一致。

实施例一

1)自TC4钛合金锻坯上取材，机械加工成φ8mm×12mm圆柱形，途中采用冷却液；

2)对样品进行热处理调制，在本实施例一中的热处理制度为1020℃保温0.5h后空冷，得到薄片组织(如图3所示)；

3)对样品进行热模拟压缩试验，温度选择850℃、900℃、930℃、950℃、 970℃，应变速率选择0.01s^-1、0.1s^-1、1s^-1，变形量为70％，将样品加热至设定温度保温5分钟，按设定应变速率和变形量进行压缩，完毕后通氮气冷却，冷却速度约30℃/s～40℃/s，获取流变应力曲线数据(如图4所示)，并进行摩擦和温升修正；

4)使用有限元数值模拟模型对压缩过程进行数值模拟，获取关注位置的应变分布；

5)沿样品中轴线进行切割，如图5所示，由于在截面部位应变分布不同，根据应变分布将样品分为变形充分区域(C3，等效应变＞1.75)、变形适中区域(B3，等效应变1.25～1.75)、变形不充分区域(B2、A3，等效应变0.75～1.25)、小变形区域(C2，等效应变＜0.75)等区域，图5 中，变形充分区域(C3)位于样品中心，变形适中区域(B3)位于横截面轴线1/4长度处；

6)对截面组织进行观察记录并分类：

如图6所示，变形充分区域组织(C3区域)，定义为组织类型一。C3 位置在样品中心，变形量最大，等效应变≥1.75，α片层在所有加工条件下均被球化，不同加工条件下的区别在于α相的含量和尺寸不同，温度越低α相含量和应变速率越大；经历高温区时间越短，则再结晶和长大程度越低，最终球化后的α相尺寸越大。

如图7所示，变形适中区域(B3区域)，a，b定义为组织类型二。B3 区域的变形量比C3区域略小(1.25～1.75)，在温度较低且应变速率较大的条件下，组织中还存在着大量未被球化的扭曲变形α片层，当应变速率降低或温度升高时α片层大量以球状形态存在，这是由于应变速率较高时高温区经历时间短，缺乏充分时间再结晶，α片层未被完全破碎球化，特别是温度远低于相变点时。而当应变速率较低时，经历时间长，再结晶充分，最终组织呈现球状颗粒态。

如图8所示，变形不充分区域(B2，A3区域)，等效应变0.75～1.25， c，d定义为组织类型五。在温度较低和应变速率较大的情况下，α片层呈扭曲变形状态，温度较高和应变速率较小时，部分α片层发生破碎球化，部分依然呈扭曲变形状态。

如图9所示，小变形区域(C2区域)，定义为组织类型六。变形量非常小或完全没有变形，等效应变小于0.75。组织基本不发生任何变化，α片层略有扭曲，温度较高时α片层会因α相的溶解而碎断。

7)将温度、应变速率、应变和组织形态相联系，形成不同变形程度下组织演变与热加工工艺关系表，如下表1：

表1

8)设定锻造工艺目标，在本实施例一中目标组织为组织类型二，利用图谱可知，要实现目标组织，需使相应位置处的热加工条件满足850℃～ 950℃，应变达到1.25～1.75，应变速率在0.1～1之间，此时可根据工厂锻造实际条件和锻坯形状制定最终锻造工艺，在本实施例中为加热温度 930℃，应变1.5，压下速率10mm/s；

9)根据输出的工艺参数进行试验，对试验结果取样分析确认符合目标组织，优化过程完成。

实施例二

实施例二的步骤与实施例一相同，但初始组织进行了改变，这是因为工厂实际锻造之前的锻坯组织不尽相同，加工工艺也必然不同，采用不同的初始锻坯组织类型可以更贴近工厂实际锻造情况。

1)自TC4钛合金锻坯上取材，机械加工成φ8mm×12mm圆柱形，途中采用冷却液；

2)对样品进行热处理调制，在本实施例二中的热处理制度为1020℃保温0.5h后水冷，得到马氏体组织(如图10所示)；

3)对样品进行热模拟压缩试验，温度选择850℃、900℃、930℃、950℃、 970℃，应变速率选择0.01s^-1、0.1^-1、1^-1，变形量为70％，将样品加热至设定温度保温5分钟，按设定应变速率和变形量进行压缩，完毕后通氮气冷却，冷却速度约30℃/s～40℃/s，获取流变应力曲线数据并进行摩擦和温升修正；

4)使用有限元数值模拟模型对压缩过程进行数值模拟，获取关注位置的应变分布；

5)沿样品中轴线进行切割，如图5所示，由于在截面部位应变分布不同，根据应变分布将样品分为变形充分区域(C3，等效应变＞1.75)、变形适中区域(B3，等效应变1.25～1.75)、变形不充分区域(B2、A3，等效应变0.75～1.25)、小变形区域(C2，等效应变＜0.75)等区域，图5 中，变形充分区域(C3)位于样品中心，变形适中区域(B3)位于横截面轴线1/4长度处；

6)对截面组织进行观察记录并分类：

如图11所示，变形充分区的组织(C3区域)，可见在变形量非常大的条件下(等效应变＞1.75)，α片层均被完全破碎，最终形成非常细小的组织，定义为组织形态一。

如图12所示，变形不充分区的组织(A3，B2区域)，变形过程中α片层发生一定程度的扭曲变形，程度与α片层原始方向与应力轴的角度相关，因此主要表现为α片层破碎的形态，定义为组织形态二。

如图13所示，小变形区域(C1和C2区域)，定义为组织形态三。

7)将温度、应变速率、应变和组织形态相联系，形成不同变形程度下组织演变与热加工工艺关系表，如下表2：

表2

8)设定锻造工艺目标，在本实施例中目标组织为组织类型二，利用图谱可知，要实现目标组织，温度在850℃～970℃之间，应变速率在0.01～ 1之间均可实现，但应变必须在0.75～1.75之间，为减少磨具磨损，提供加工效率，可选择相对高温区间，锻造速度则尽可能快，在本实施例中为加热温度950℃，应变1.5，压下速率15mm/s；

9)根据输出的工艺参数进行试验，对试验结果取样分析确认符合目标组织，优化过程完成。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，建立有限元数值模拟模型，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过等温热压缩实验获得锻件样品流变曲线，对压缩后的锻件样品进行显微组织检测，获得温度-应变速率-微观组织之间的对应关系；

2)利用有限元数值模拟模型对等温热压缩实验进行数值模拟，获得等效应变与试样显微组织之间的对应关系；

3)建立图谱：通过步骤1)和2)建立初始显微组织-热加工工艺参数值-最终显微组织之间的对应关系；

4)根据锻造的最终组织要求，利用步骤3)图谱确定锻件的热加工工艺参数值；

5)输出锻造工艺参数：根据锻件的初始几何尺寸和截面形状，设定初步的锻造工艺，然后锻造工艺进行有限元数值模拟，通过调整工艺参数使计算机输出的热加工工艺参数值需符合步骤4)所要求的热加工工艺参数值，得到最终优化后的锻造工艺参数。

2.如权利要求1所述的结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，其特征在于：所述热加工工艺参数值，包括温度、应变速率和等效应变值。

3.如权利要求1所述的结合有限元数值模拟程序的钛合金锻造工艺参数优化方法，其特征在于：所述锻件样品的截面形状为方形、圆形、六角形或八角形。

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