CN114283900A - 针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其包括以下步骤：S1、在不同工艺条件下对材料进行组织测定；S2、通过统计分析不同变形工艺下的热压缩试样心部的低倍组织，得到不同条件参数下低倍粗晶产生所具有的规律性；S3、建立低倍粗晶的量化预测模型；S4、通过有限元数值模拟分析，实现近β钛合金低倍粗晶分布的可视化预测；S5、低倍粗晶的调控。本发明可以有效地预测近β钛合金低倍粗晶出现时的变形温度、应变量和应变速率，解决实际生产中低倍粗晶不可控的难题，进而可根据该方法制定更合理的变形工艺来避免低倍粗晶，使得锻件组织、性能更均匀和更稳定。

Description

针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法

技术领域

本发明属于钛合金锻件锻造成形低倍组织预测模型技术领域，涉及了一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法。

背景技术

近些年，航空工业发展迅猛，对钛合金品质提出了更高的需要，特别是航空模锻件。钛合金属于成形能力较差的合金，且导热性差，锻造时，坯料温度不均匀程度较高，由此造成的组织缺陷较多。为了适应目前航空工业对钛合金的高要求，保证钛合金既满足形状的要求又使其性能达到标准，需要对钛合金热模锻与热变形方面进行深入研究。

航空锻件的低倍组织是锻件质量评估和产品判废的重要依据之一，对锻件的应变量和变形温度十分敏感。特别当温度控制不当时，坯料内部区域的变形温度各不相同，不同变形温度下加工成型的材料性能也不同，表现为该坯料内部组织不均匀性较高，对其进行相关退火处理后，锻件局部区域低倍组织极易表现出粗晶现象，为避免安全隐患不得不将低倍组织切除，使得材料利用率大幅降低，导致材料严重浪费。本专利钛合金材料涉及两种低倍组织：低倍粗晶(清晰晶)和非低倍粗晶(模糊晶)，其主要与β晶粒尺寸、晶粒的不等轴程度有关，显微组织之间并不存在明确的关联关系。近β钛合金锻件主要在α+β双相区单火次锻造成形，其达标的低倍组织通常为非低倍粗晶，如图1所示。

因此，急需发明一种近β钛合金模锻件低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，从而提升钛合金材料利用率，降低生产成本。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，该方法可以有效地预测近β钛合金低倍粗晶出现时的变形温度、应变量和应变速率，解决实际生产中低倍粗晶不可控的难题，进而可根据该方法制定更合理的变形工艺来避免低倍粗晶，使得锻件组织、性能更均匀和更稳定。

具体地，本发明提供一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其包括以下步骤：

S1、在不同工艺条件下对材料进行组织测定，其具体包括以下子步骤：

S11、降温热变形试验：

从典型近β钛合金Φ130mm锻棒上切取Φ8×12mm圆柱状试样，在热/力模拟试验机上进行恒应变速率降温压缩实验，加热到设定温度后保温一段时间，随后降温到变形温度，变形温度从560℃～700℃区间内选取4个以上温度点，变形量为0％～70％不等，变形速率为0.005s^-1～0.5s^-1间的一个固定速率，之后进行降温单轴热变形；

S12、完全退火热处理：

将热变形后的试样进行完全退火热处理，热处理的具体方法为：将炉温加热至720℃～820℃，到达温度后放入试样，炉温稳定后开始计时，保温时间为60min～240min，达到保温时间后，取出试样空冷，试样退火完成后，平行于压缩方向沿中心切开，观察心部宏观组织与微观组织；

S13、确定不同低倍组织对应的显微组织特性：

对多组降温热压缩工艺条件下的试样心部的宏观组织和微观组织进行分析，确定低倍组织的低倍粗晶与非低倍粗晶，其中，低倍粗晶的判定条件为是否存在肉眼可见暗色斑点；

S2、通过统计分析不同变形工艺下的热压缩试样心部的低倍组织，得到不同条件参数下低倍粗晶产生所具有的规律性；

S3、建立低倍粗晶的量化预测模型：

基于步骤S2中关于低倍粗晶的统计结果，确定低倍粗晶的产生条件，明确变形温度T、应变ε_f及应变速率

之间的关系，三者之间关系如式(1)和式(2)所示；

-1.06×10^-7T³+1.97×10^-4T²-0.12T+24.63≤ε_f≤-1.76×10^-7T³+3.28×10^-4T²-0.20T+41.32 (1)

式(1)、(2)表示了在不同温度下产生低倍粗晶的应变量区间和应变速率区间；

将上述式(1)、(2)作为低倍粗晶的量化预测模型；

S4、低倍粗晶分布的预测：基于低倍粗晶形成的判定条件得到步骤S3中低倍粗晶显现的临界条件，并基于上述临界条件，通过有限元数值模拟分析，实现近β钛合金低倍粗晶分布的可视化预测；

S5、低倍粗晶分布的调控：通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照步骤S4的方式进行低倍粗晶分布的预测，以达到减轻和消除低倍粗晶的目的。

优选地，步骤S13中对显微组织的观察具体包括以下步骤：

S131、从某近β钛合金锻件上切取不同低倍晶区的金相试样，试样首先经过研磨抛光，然后在成分比例为HF:HNO₃:H₂O＝1:4:23的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间为8s～12s；

S132、使用金相显微镜对试样的不同低倍晶区的显微组织进行观察分析，显微组织均为典型双态组织，显微组织中分布等轴初生α相以及等轴原始β晶粒。

优选地，步骤S11具体包括以下步骤：

S111、将钛合金坯料加工成Φ8×12mm的圆柱试样，并将试样两端进行倒圆角处理，之后在试样中间表层位置焊接PtRh₁₃/Pt-R型铂铑热电偶，用来采集试样温度，将该温度信号反馈到计算机生成温度数据并存储；

S112、实验前在试样两端的端面涂上高温润滑剂，然后粘贴厚度分别为0.1mm-0.15mm的钽片与石墨片从而减小压头与试样之间的摩擦力，保证试样在热变形时的稳定性与均匀性，试样装入实验工作仓后，对实验工作仓进行抽真空处理，之后充满保护气体；

S113、以10℃/s的加热速度将试样升温至设定温度保温，保温时间为10min，随后以5℃/s的降温速率降温到变形温度包括560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃、680℃、及700℃，保温时间为10s；

S114、对试样进行热变形试验，其中应变速率区间为0.005s^-1～0.5s^-1，变形量区间为0％～70％；

S115、变形完毕后空冷。

优选地，步骤S4中实现钛合金低倍粗晶分布的可视化预测包括以下步骤：

S41、建立几何模型：采用计算机辅助软件绘制出长宽高95mm×45mm×45mm的长方体坯料、上模具及下模具的三维造型，保存成有限元软件能够识别的stl文件，然后在有限元软件中进行设置，最后保存成DB文件，其中，对坯料、上模具及下模具均进行四面体的网格划分，坯料划分119172个单元，25431个节点，最小单元的边长为0.8mm；

S42、确定材料参数及成形工艺：

在有限元软件中，打开前处理模块，在材料设定窗口中选择通过热压缩试验得到的本材料对应的本构模型，输入钛合金的流变曲线，并设定合金密度为4.5×10³kg/m³，热传导系数取4N/sec/mm/℃，热扩散系数取0.02W/(m·℃)，

模具材料选取5CrNiMo，在软件前处理中预设上模和下模均为传热的刚体，模具预热温度为350℃，摩擦系数为0.3，下压速度5mm/s；

S43、有限元预测：将模拟结果按照用户定义的变量根据S3中的低倍粗晶预测模型得到模拟锻件中的低倍粗晶分布，并与实体锻件低倍粗晶分布进行对比分析，从而实现钛合金模锻件低倍粗晶组织分布的可视化预测，对比验证降温热压缩试样中出现的低倍粗晶组织分布特点，得出预测结果。

优选地，步骤S5中实现钛合金低倍粗晶的减轻和消除具体包括以下步骤：

低倍粗晶的调控：通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照步骤S43的方式进行低倍粗晶分布的预测，实时改变下压速度，重复步骤S43直到达到目的需求。

优选地，步骤S13中的低倍粗晶的低倍图上存在肉眼可见暗色斑点的低倍粗晶临界条件能够在高倍图上等效为对应临界尺寸D₀，当存在肉眼可见暗色斑点时，则低倍粗晶对应的显微组织中原始β晶粒尺寸大于临界尺寸D₀，当不存在肉眼可见暗色斑点时，则低倍粗晶对应的显微组织中原始β晶粒尺寸小于临界尺寸D₀。

根据权利要求6所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：近β钛合金低倍粗晶显现的临界尺寸D₀为57μm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明建立的近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测方法，能够有效的预测近β钛合金坯料在锻造并经后续热处理后的低倍粗晶分布规律，同时，通过提高模具温度、增加压下速度可以达到调控低倍粗晶的目的，从而提高近β钛合金的工艺质量。

(2)由于锻件局部区域的低倍粗晶导致力学性能降低，并进一步使得锻件的服役性能存有波动，存在较大的安全隐患，同时近β钛合金航空锻件对宏、微观组织的需求标准非常苛刻，对于钛合金中出现的低倍粗晶需要尽可能的减少并予以去除，故使得成材率降低，导致材料严重浪费。因此，本发明的方法可实现对近β钛合金低倍粗晶组织进行预测与调控，克服现有技术的中缺陷及技术偏见，优化成形工艺，减小低倍粗晶区域，并在提高材料的利用率和锻件性能方面具有重要意义。

附图说明

图1为近β型钛合金模锻件低倍组织的示意图，其中，黑色虚线标记位置为低倍粗晶区，未标记的区域为非低倍粗晶区；

图2为热压缩试样经热处理后得到的非低倍粗晶区的显微组织示意图，该取样位置为左下角低倍图黑色虚线标记区域；

图3为模锻件非低倍粗晶区的显微组织示意图，该取样位置为图1中的非低倍粗晶区域；

图4为热压缩试样经热处理后得到的低倍粗晶区的显微组织示意图，黑色虚线标记出粗大的原始β晶粒，该取样位置为左下角低倍图黑色虚线标记区域；

图5为模锻件低倍粗晶区的显微组织示意图，该取样位置为图1黑色虚线标记的低倍粗晶区域；

图6为组织状态与变形参数之间的对应关系示意图；

图7a和图7b分别为模拟结果和实验结果对比示意图，其中：图7a)为模拟结果，黑色区域为非低倍粗晶区，灰色区域为低倍粗晶区；图7b)为实体锻件的低倍组织，黑色虚线标出的为低倍粗晶区，其余区域为非低倍粗晶区；

图8为低倍粗晶区域四边形宽度与高度值的标识图；

图9为不同低倍粗晶区域四边形宽度与高度值的模拟值和实验值的拟合结果示意图；

图10为不同模具温度下低倍粗晶模拟结果，其中：图10(a-f)分别为模具温度350℃、450℃、500℃、600℃、650℃、700℃时的低倍粗晶分布；

图11为不同下压速度下低倍粗晶模拟结果，其中：图11(a-d)分别为下压速度0.5mm/s、5mm/s、10mm/s、20mm/s时的低倍粗晶分布。

图12为本发明的流程示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

具体地，本发明提供一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其包括以下步骤：

S1、在不同工艺条件下对材料进行组织测定，其具体包括以下子步骤：

S11、降温热压缩试验：

从某典型近β钛合金Φ130mm锻棒上切取Φ8×12mm圆柱状试样，在热/力模拟试验机上进行恒应变速率降温压缩实验，加热到设定温度后保温一段时间，随后降温到变形温度，变形温度从560℃～700℃区间内选取4个以上温度点，变形量为0％～70％不等，变形速率为0.005s^-1～0.5s^-1不等，进行降温单轴热变形；

S12、完全退火热处理：

将热变形后的试样进行完全退火热处理，热处理的具体方法为：将炉温加热至720℃～820℃，到温后放入试样，炉温稳定后开始计时，保温时间为60min～240min，达到保温时间后，取出试样空冷，试样退火完成后，平行于压缩方向沿中心切开，观察心部宏观组织与微观组织；

S13、确定不同低倍组织对应的显微组织特性：

对多组降温热压缩工艺条件下的试样心部的宏微观组织进行分析，确定低倍组织的低倍粗晶与非低倍粗晶，其中，低倍粗晶的判定条件为是否存在肉眼可见暗色斑点；

S2、通过统计分析不同变形工艺下的热压缩试样心部的低倍组织，得到不同条件参数下低倍粗晶产生所具有的规律性；

S3、建立低倍粗晶的量化预测模型：

基于步骤S2中关于低倍粗晶的统计结果，确定低倍粗晶的产生条件，明确变形温度T、应变ε_f及应变速率

之间的关系，三者之间关系如式(1)和式(2)所示；

-1.06×10^-7T³+1.97×10^-4T²-0.12T+24.63≤ε_f≤-1.76×10^-7T³+3.28×10^-4T²-0.20T+41.32 (1)

式(1)、(2)表示了在不同温度下产生低倍粗晶的应变量区间和应变速率区间；

S4、基于低倍粗晶形成的低倍粗晶的判定条件得到步骤S3中低倍粗晶显现的临界条件，并基于上述临界条件，通过有限元数值模拟分析，实现近β钛合金低倍粗晶分布的可视化预测；

S5、低倍粗晶的调控：通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照步骤S4的方式进行低倍粗晶分布的预测，以达到减轻和消除低倍粗晶的目的。

优选地，步骤S13中对显微组织的观察具体包括以下步骤：

S131、从某近β钛合金锻件上切取不同低倍晶区的金相试样，试样先经过研磨抛光，然后在比例为HF:HNO₃:H₂O＝1:4:23的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间约为8s～12s；

S132、使用金相显微镜对不同低倍晶区的显微组织进行观察分析，显微组织均为典型双态组织，其中分布等轴初生α相以及等轴原始β晶粒。

优选地，步骤S11具体包括以下步骤：

S111、将钛合金坯料加工成Φ8×12mm的圆柱试样，并试样两端进行倒圆角处理，之后在试样中间表层位置焊接PtRh₁₃/Pt-R型铂铑热电偶，用来采集试样温度，将该温度信号反馈到计算机可生成数据；

S112、实验前在试样两端面涂上高温润滑剂，然后粘贴厚度分别为0.1mm-0.15mm的钽片与石墨片从而减小压头与试样之间的摩擦力，保证试样在热变形时的稳定性与均匀性。试样装入机器工作仓后，对实验工作仓进行抽真空处理，然后再充满保护气体；

S113、以10℃/s的加热速度升温至设定温度保温，保温时间为10min，随后以5℃/s的降温速率降温到变形温度包括560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃、680℃、及700℃，保温时间为10s；

S114、应变速率区间为0.005s^-1～0.5s^-1，变形量区间为0％～70％；

S115、变形完毕后空冷。

优选地，步骤S4中实现钛合金低倍粗晶分布的可视化预测包括以下步骤：

S41、建立几何模型：采用计算机辅助软件绘制出长宽高95mm×45mm×45mm的长方体坯料、上模具及下模具的三维造型，保存成有限元软件能够识别的stl文件，然后在有限元软件中进行设置，最后保存成DB文件，其中，对坯料、上模具及下模具均进行四面体的网格划分，坯料划分119172个单元，25431个节点，最小单元的边长为0.8mm；

S42、确定材料参数及成形工艺：

在有限元软件中，打开前处理模块，在材料设定窗口中选择通过热压缩试验得到的本材料对应的本构模型，输入钛合金的流变曲线，并设定合金密度为4.5×10³kg/m³，热传导系数取4N/sec/mm/℃，热扩散系数取0.02W/(m·℃)，

模具材料选取5CrNiMo，在软件前处理中预设上模和下模均为传热的刚体，模具预热温度为350℃，摩擦系数为0.3，下压速度5mm/s；

S43、有限元预测：将模拟结果按照用户定义的变量根据S3中的低倍粗晶预测模型得到模拟锻件中的低倍粗晶分布，并与实体锻件低倍粗晶分布进行对比分析，从而实现钛合金模锻件低倍粗晶组织分布的可视化，对比验证降温热压缩试样中出现的低倍粗晶组织分布特点。

优选地，步骤S5中实现钛合金低倍粗晶的减轻和消除具体包括以下步骤：

低倍粗晶的调控：通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照步骤S43的方式进行低倍粗晶分布的预测，以达到减轻和消除低倍粗晶的目的。

具体实施例

本实施例提供一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，如下：

S1、材料在不同工艺条件下的组织测定：

①降温热压缩试验

从某典型近β钛合金Φ130mm锻棒上切取Φ8×12mm圆柱状试样，该原材料出厂前经过严格的理化检验，其宏微观组织不存在偏析等缺陷。在Gleeble3800热/力模拟试验机上进行恒应变速率降温压缩实验，即加热到设定温度后保温一段时间，随后降温到变形温度，变形温度从560℃～700℃区间内选取4个以上温度点，变形量为0％～70％不等，变形速率为0.005s^-1～0.5s^-1不等，进行降温单轴热变形。

目的是通过在不同的工艺条件下进行变形，获得不同热处理之后的试样的显微组织，为确定组织和变形参数之间的量化关系提供数据。

其具体包括以下步骤：

将钛合金原坯料加工成多组Φ8×12mm的标准圆柱试样，在试样中部焊接热电偶，用来采集试样温度，将该信号反馈到计算机可生成数据。试样两端涂抹高温润滑剂并粘贴钽片与石墨片来减小压头与试样之间的摩擦力，保证试样变形过程中的均匀性与稳定性，同时对试验仓抽真空并填充保护气体。

以10℃/s的加热速度升温至设定温度保温，保温时间为10min，随后以5℃/s的降温速率降温到变形温度包括560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃、680℃、及700℃，保温时间为10s。

选择热压缩的应变速率为0.005s^-1～0.5s^-1不等，变形量为0％～70％不等。

变形完毕后空冷。

本试验主要针对图1中锻件出现低倍粗晶组织的区域，研究变形温度及变形量对低倍粗晶组织形成的影响。试验所采用的试样准备和试验操作与前面试验一致。试样加热到设定的温度保温一段时间，随后降温到变形温度，等温度稳定后，进行不同变形量的变形。变形温度为560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃、680℃、及700℃，变形量分别为0％～70％。

②完全退火热处理

将热变形后的试样进行完全退火处理。

热处理制度：将炉温加热至720℃～820℃的某点温度，到温后放入试样，炉温稳定后开始计时，保温时间从60min～240min中选取，达到保温时间后，取出试样空冷。试样退火完成后，平行于压缩方向沿中心切开，观察心部宏观组织(低倍组织)与微观组织(显微组织)。

②确定不同低倍组织对应的显微组织特性

对多组降温热压缩工艺条件下的试样心部宏微观组织进行分析，其低倍组织表现出两种类型，分别为低倍粗晶(清晰晶)与非低倍粗晶(模糊晶)。两种低倍组织对应的显微组织均为钛合金典型双态组织，但两种低倍组织对应的显微组织中原始β晶粒尺寸存有明显差异，这里原始β晶粒尺寸对应于β相界所围成区域的平均直径。判断低倍粗晶是否存在的标准为在低倍图上是否存在肉眼可见暗色β斑点，其中低倍图上存在肉眼可见暗色斑点的低倍粗晶临界条件可以在高倍图上对应临界尺寸D₀，经统计可知典型近β钛合金低倍粗晶显现的临界尺寸D₀约为57μm。其中热压缩试样经热处理后得到的非低倍粗晶对应的显微组织中原始β晶粒尺寸小于临界尺寸D₀，低倍组织不存在肉眼可见暗色斑点，见图2，这与锻件非低倍粗晶区的显微组织类似，见图3；而热压缩试样经热处理后得到的低倍粗晶对应的显微组织中原始β晶粒尺寸大于临界尺寸D₀，低倍组织存在肉眼可见暗色斑点，见图4，这与锻件低倍粗晶区的显微组织一致，见图5。其中，图2、图3、图4及图5均为200倍下的显微组织。

a、显微组织观察：

从某近β钛合金锻件上切取不同低倍晶区的金相试样，使用金相显微镜对不同低倍晶区的显微组织进行观察分析。试样先经过研磨抛光，然后在比例为HF:HNO₃:H₂O＝1:4:23的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间约为8s～12s，利用金相显微镜观察试样的显微组织，显微组织均为典型双态组织，其中分布等轴初生α相以及等轴原始β晶粒。

图6为组织状态与变形参数之间的对应关系，依据S114低倍粗晶的预测模型得到分割低倍粗晶区与非低倍粗晶区的上分界线与下分界线(图中白线)，分别过上下两分界线做垂直于温度应变两坐标形成平面的两个切割曲面(上分界面较暗，称为黑分界面；下分界面较前者亮，称为灰分界面)对立体图进行分割，得到三个区域，分别为上部区域、中部区域和下部区域。上部区域和下部区域为低倍粗晶未显现的变形条件所在区域，为非低倍粗晶区；中部区域(黑分界面与灰分界面之间的区域)为低倍粗晶显现的变形条件所在区域，为低倍粗晶区。

S2、通过统计分析不同变形工艺下的热压缩试样心部的低倍组织，特别是试样心部是否存在肉眼可见的暗色斑点，可以得到不同条件参数下低倍粗晶产生所具有的规律性。

表1为不同变形量不同变形温度变形工艺条件下的热压试样低倍粗晶组织状态统计表，其中，F为非低倍粗晶的产生条件，D为低倍粗晶的产生条件。

表1不同变形量及变形温度产生的低倍粗晶组织状态统计

表2为不同应变速率(同变形量同变形温度)变形工艺条件下的热压试样低倍粗晶组织状态统计表，其中，F为非低倍粗晶的产生条件，D为低倍粗晶的产生条件。

表1不同应变速率下产生的低倍粗晶组织状态统计

S3、建立低倍粗晶的量化预测模型

基于步骤S2中关于各降温热压缩条件下肉眼可见暗色斑点的统计结果，确定低倍粗晶的产生条件，明确变形温度T、应变ε_f及应变速率

之间的关系，如式(1)、(2)；

-1.06×10^-7T³+1.97×10^-4T²-0.12T+24.63≤ε_f≤-1.76×10^-7T³+3.28×10^-4T²-0.20T+41.32 (1)

式中T为热变形的温度，ε_f为应变量，

为应变速率。

S4、钛合金低倍粗晶分布的可视化

基于低倍粗晶形成的低倍组织判定条件：是否存在肉眼可见暗色斑点，得到S3中低倍粗晶显现的临界条件，并基于上述临界条件，通过有限元数值模拟分析，实现近β钛合金低倍粗晶分布的可视化预测。该模型可以对近β钛合金锻件的低倍组织进行预测，并给出相关系数和误差，可以验证模型的准确性。将模型输出结果与实验结果进行对比，见图7和表2、表3。误差分析结果表明模型获得的低倍粗晶分布层与实际热模锻实验后低倍粗晶分布层对应的宽度值与高度值的平均相对误差绝对值为9.663％，图7a和图7b分别为模拟结果和实验结果对比，其中：图7a)为模拟结果，黑色区域为非低倍粗晶区，灰色区域为低倍粗晶区；图7b)为实体锻件的低倍组织，黑色虚线标出的为低倍粗晶区，其余区域为非低倍粗晶区。图8为低倍粗晶区域四边形宽度与高度值的标识图。如图9所示。该模型可以对钛合金低倍粗晶组织的分布进行预测，验证了模型的准确性。

表2实际锻件和模拟锻件对应宽高汇总表

表3实际锻件和模拟锻件对应宽高汇总表

钛合金低倍粗晶组织分布有限元预测包括以下步骤：

建立几何模型：

建立几何模型：采用计算机辅助软件绘制出长宽高95mm×45mm×45mm的长方体坯料、上模具及下模具的三维造型，保存成有限元软件(本实施例中可以是DEFORM-3DV11.0，也可以是其余有限元软件)可以识别的stl文件，然后在DEFORM-3DV11.0有限元软件中进行设置，最后保存成DB文件。其中，对坯料、上模具及下模具均进行四面体的网格划分。坯料划分119172个单元，25431个节点，最小单元的边长为0.8mm；

确定材料参数及成型工艺：

在DEFORM-3DV11.0有限元软件中，打开前处理模块PreProcessor，在Material材料设定窗口中选择通过热压缩实验得到的本材料对应的本构模型，输入钛合金的流变曲线，并设定合金密度为4.5×10³kg/m³，热传导系数取4N/sec/mm/℃，热扩散系数取0.02W/(m·℃)。

模具材料选取5CrNiMo，在软件前处理中预设上模和下模均为传热的刚体，模具预热温度为350℃，摩擦系数为0.3，下压速度5mm/s。

模拟热模锻试验过程；

有限元预测：

将模拟结果按照用户定义的变量根据低倍粗晶预测模型进行对比分析

-1.06×10^-7T³+1.97×10^-4T²-0.12T+24.63≤ε_f≤-1.76×10^-7T³+3.28×10^-4T²-0.20T+41.32 (1)

式中T为变形温度，ε_f为应变量，

为应变速率。

从而实现钛合金低倍粗晶组织分布的可视化，对比验证热模锻试验中出现的低倍粗晶组织的分布特点,并通过提高模具温度、增加下压速度，使低倍粗晶显现的面积减少，从而达到减轻和消除低倍粗晶的目的。

具体实施过程包括：采用编程语言，将试验所获得低倍粗晶预测模型，即式(1)、(2)，导入有限元软件后处理用户程序中，建立预测子程序。在有限元软件的后处理模块中，通过用户自定义的变量可以将模拟结果按照定义的预测子程序进行显示，从而实现低倍粗晶分布的预测。图7对数值模拟结果和试验结果进行了对比。其中，灰色显示为低倍粗晶区(灰虚线包围)，黑色显示为非低倍粗晶区，见图7a；黑虚线所围成的区域为低倍粗晶区，黑虚线以外为非低倍粗晶区，见图7b。

S5、低倍粗晶的调控

通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照上述方式进行低倍粗晶分布的预测，达到减轻或消除低倍粗晶的目的，见图10a、图10b和图11。

原始模锻实验中，模具温度为350℃，下压速度为5mm/s。图10为不同模具温度下低倍粗晶模拟分布图，其中图10(a-f)模具温度分别为350℃、450℃、500℃、600℃、650℃和700℃。由图可得，通过提高模具温度可以有效减少低倍粗晶存在区域，当模具温度提高到650℃，可以大幅减少低倍粗晶，如图10e；当模具温度提高到700℃时，可以完全消除低倍粗晶，如图10f。同时，图11为不同下压速度下低倍粗晶模拟分布图，其中图11(a-d)下压速度分别为0.5mm/s、5mm/s、10mm/s和20mm/s。由图可得，通过提高下压速度可以有效减少低倍粗晶存在区域，当提高下压速度到20mm/s时，可以大幅减少低倍粗晶显现的面积，如图11d。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、在不同工艺条件下对材料进行组织测定，其具体包括以下子步骤：

S11、降温热变形试验：

从典型近β钛合金Φ130mm锻棒上切取Φ8×12mm圆柱状试样，在热/力模拟试验机上进行恒应变速率降温压缩实验，加热到设定温度后保温一段时间，随后降温到变形温度，变形温度从560℃～700℃区间内选取4个以上温度点，变形量为0％～70％不等，变形速率为0.005s^-1～0.5s^-1间的一个固定速率，之后进行降温单轴热变形；

S12、完全退火热处理：

将热变形后的试样进行完全退火热处理，热处理的具体方法为：将炉温加热至720℃～820℃，到达温度后放入试样，炉温稳定后开始计时，保温时间为60min～240min，达到保温时间后，取出试样空冷，试样退火完成后，平行于压缩方向沿中心切开，观察心部宏观组织与微观组织；

S13、确定不同低倍组织对应的显微组织特性：

对多组降温热压缩工艺条件下的试样心部的宏观组织和微观组织进行分析，确定低倍组织的低倍粗晶与非低倍粗晶，其中，低倍粗晶的判定条件为是否存在肉眼可见暗色斑点；

S2、通过统计分析不同变形工艺下的热压缩试样心部的低倍组织，得到不同条件参数下低倍粗晶产生所具有的规律性；

S3、建立低倍粗晶的量化预测模型：

基于步骤S2中关于低倍粗晶的统计结果，确定低倍粗晶的产生条件，明确变形温度T、应变ε_f及应变速率

之间的关系，三者之间关系如式(1)和式(2)所示；

-1.06×10^-7T³+1.97×10^-4T²-0.12T+24.63≤ε_f≤-1.76×10^-7T³+3.28×10^-4T²-0.20T+41.32 (1)

式(1)、(2)表示了在不同温度下产生低倍粗晶的应变量区间和应变速率区间；

将上述式(1)、(2)作为低倍粗晶的量化预测模型；

S4、低倍粗晶分布的预测：基于低倍粗晶形成的判定条件得到步骤S3中低倍粗晶显现的临界条件，并基于上述临界条件，通过有限元数值模拟分析，实现近β钛合金低倍粗晶分布的可视化预测；

S5、低倍粗晶分布的调控：通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照步骤S4的方式进行低倍粗晶分布的预测，以达到减轻和消除低倍粗晶的目的。

2.根据权利要求1所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：步骤S13中对显微组织的观察具体包括以下步骤：

S131、从某近β钛合金锻件上切取不同低倍晶区的金相试样，试样首先经过研磨抛光，然后在成分比例为HF:HNO₃:H₂O＝1:4:23的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间为8s～12s；

S132、使用金相显微镜对试样的不同低倍晶区的显微组织进行观察分析，显微组织均为典型双态组织，显微组织中分布等轴初生α相以及等轴原始β晶粒。

3.根据权利要求1所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：步骤S11具体包括以下步骤：

S111、将钛合金坯料加工成Φ8×12mm的圆柱试样，并将试样两端进行倒圆角处理，之后在试样中间表层位置焊接PtRh₁₃/Pt-R型铂铑热电偶，用来采集试样温度，将该温度信号反馈到计算机生成温度数据并存储；

S112、实验前在试样两端的端面涂上高温润滑剂，然后粘贴厚度分别为0.1mm-0.15mm的钽片与石墨片从而减小压头与试样之间的摩擦力，保证试样在热变形时的稳定性与均匀性，试样装入实验工作仓后，对实验工作仓进行抽真空处理，之后充满保护气体；

S113、以10℃/s的加热速度将试样升温至设定温度保温，保温时间为10min，随后以5℃/s的降温速率降温到变形温度包括560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃、680℃、及700℃，保温时间为10s；

S114、对试样进行热变形试验，其中应变速率区间为0.005s^-1～0.5s^-1，变形量区间为0％～70％；

S115、变形完毕后空冷。

4.根据权利要求1所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：步骤S4中实现钛合金低倍粗晶分布的可视化预测包括以下步骤：

S41、建立几何模型：采用计算机辅助软件绘制出长宽高95mm×45mm×45mm的长方体坯料、上模具及下模具的三维造型，保存成有限元软件能够识别的stl文件，然后在有限元软件中进行设置，最后保存成DB文件，其中，对坯料、上模具及下模具均进行四面体的网格划分，坯料划分119172个单元，25431个节点，最小单元的边长为0.8mm；

S42、确定材料参数及成形工艺：

在有限元软件中，打开前处理模块，在材料设定窗口中选择通过热压缩试验得到的本材料对应的本构模型，输入钛合金的流变曲线，并设定合金密度为4.5×10³kg/m³，热传导系数取4N/sec/mm/℃，热扩散系数取0.02W/(m·℃)，

模具材料选取5CrNiMo，在软件前处理中预设上模和下模均为传热的刚体，模具预热温度为350℃，摩擦系数为0.3，下压速度5mm/s；

S43、有限元预测：将模拟结果按照用户定义的变量根据S3中的低倍粗晶预测模型得到模拟锻件中的低倍粗晶分布，并与实体锻件低倍粗晶分布进行对比分析，从而实现钛合金模锻件低倍粗晶组织分布的可视化预测，对比验证降温热压缩试样中出现的低倍粗晶组织分布特点，得出预测结果。

5.根据权利要求1所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：步骤S5中实现钛合金低倍粗晶的减轻和消除具体包括以下步骤：

低倍粗晶的调控：通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照步骤S43的方式进行低倍粗晶分布的预测，实时改变下压速度，重复步骤S43直到达到目的需求。

6.根据权利要求1所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：步骤S13中的低倍粗晶的低倍图上存在肉眼可见暗色斑点的低倍粗晶临界条件能够在高倍图上等效为对应临界尺寸D₀，当存在肉眼可见暗色斑点时，则低倍粗晶对应的显微组织中原始β晶粒尺寸大于临界尺寸D₀，当不存在肉眼可见暗色斑点时，则低倍粗晶对应的显微组织中原始β晶粒尺寸小于临界尺寸D₀。

7.根据权利要求6所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：近β钛合金低倍粗晶显现的临界尺寸D₀为57μm。

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