基于平面應(yīng)變壓縮模型的TA15鈦合金熱強(qiáng)旋組織性能預(yù)測(cè)研究

徐文臣，陳 勇，王春曉，單德彬，郭 斌

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

鈦合金以其密度低、比強(qiáng)度高、耐熱耐蝕等優(yōu)點(diǎn)在航空航天中得到日益廣泛的應(yīng)用，其薄壁回轉(zhuǎn)體構(gòu)件越來越多采用旋壓技術(shù)成形［1-4］.然而，由于鈦合金室溫強(qiáng)度高、塑性低，大多數(shù)鈦合金需熱旋成形，但鈦合金的導(dǎo)熱性極差，使得其熱旋成形難度較大.目前鈦合金的熱旋壓技術(shù)的研究多集中于如何提高成形的精度，而對(duì)熱旋過程的組織和性能控制研究缺乏有效理論指導(dǎo)，制約著鈦合金旋壓性能的提高［5-6］.相關(guān)旋壓變形規(guī)律的研究認(rèn)為，旋壓變形主要是軸向伸長(zhǎng)和徑向壓縮，切向變形較小，即旋壓變形可近似認(rèn)為是平面變形［7-9］.因此，本文通過建立與熱旋變形相近的簡(jiǎn)單的平面應(yīng)變熱壓縮物理模擬模型，研究變形參數(shù)對(duì)鈦合金平面壓縮過程中的組織性能演變的影響規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)旋壓過程組織性能演變進(jìn)行預(yù)測(cè)，為鈦合金熱旋過程的組織性能精確控制提供指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)

本試驗(yàn)材料選用TA15鈦合金(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)熱鍛棒材，其相變點(diǎn)大約是995℃，再結(jié)晶開始溫度是800℃，結(jié)束溫度是950℃，棒材的化學(xué)成分見下表1.該合金的原始組織如圖1，由等軸狀的初生α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成.

為模擬以軸向流動(dòng)為主的旋壓變形，本文建立如圖2的平面應(yīng)變壓縮模型來模擬旋壓變形.平面應(yīng)變熱壓縮試驗(yàn)在Instron5569電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行TA15合金的.鈦合金熱壓縮溫度取值為650～800℃，變形速率采用0.01～1.0/s，壓縮變形程度為20～80%.采用線切割將試樣加工成5mm×5mm×10 mm的長(zhǎng)方體.為減小模具和試樣之間的摩擦，在試樣表面涂抹高溫玻璃潤(rùn)滑劑.為保證變形過程中溫度均勻，變形前將試樣保溫5～10s后再進(jìn)行熱壓縮，保壓5s鐘再取出試樣.

表1 TA15合金棒材的化學(xué)成分

圖1 TA15合金的原始組織形貌

旋壓試驗(yàn)采用的TA15鈦合金鍛棒機(jī)加而成，內(nèi)徑100 mm，厚8 mm.旋壓前芯軸預(yù)熱到400～500℃，坯料表面噴涂玻璃潤(rùn)滑/保護(hù)劑，旋壓800℃.旋壓進(jìn)給比為0.6～0.8 mm/r，旋壓實(shí)際變形量如表1所示.

圖2 平面應(yīng)變壓縮模型

本文利用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件自動(dòng)判斷測(cè)量目標(biāo)，并對(duì)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)、初生α相的尺寸等參數(shù)進(jìn)行定量的表征.借助顯微硬度測(cè)試儀進(jìn)行顯微硬度的測(cè)量，試驗(yàn)力是500 g，加載時(shí)間10～15s，.為保證平行，在測(cè)量顯微硬度試驗(yàn)前必須將其上下面磨平，這樣可以避免壓痕出現(xiàn)傾斜，引起測(cè)量的誤差.每個(gè)試樣上沿平行于壓縮的方向進(jìn)行10個(gè)顯微硬度的測(cè)試，然后取其平均值作為最終的數(shù)據(jù).

表2 旋壓道次變形量分布 %

2 平面壓縮和旋壓過程組織演變的相似性分析

TA15鈦合金熱強(qiáng)旋和平面應(yīng)變熱壓縮微觀組織的演變?nèi)鐖D3所示，其變形溫度在800℃左右，變形速率為1.0/s左右.從圖中可以看出，在減薄率為20%時(shí)，原始組織中部分晶粒開始沿軸向被拉長(zhǎng)，但仍有一些晶粒并沒有發(fā)生變化，與相同條件下熱壓縮組織相似.當(dāng)減薄率接近50%時(shí)旋壓組織與經(jīng)過50%變形量的平面熱壓縮組織均發(fā)生了較明顯的變化，原始的組織形態(tài)已經(jīng)很難觀察到，大部分晶粒都被沿著軸向拉長(zhǎng)成為纖維狀.當(dāng)總減薄率達(dá)到80%時(shí)旋壓組織的條狀纖維更加明顯，微觀組織細(xì)小均勻，而變形程度為80%時(shí)熱壓縮試驗(yàn)得到的微觀組織也形成明顯細(xì)小的纖維狀組織，但是不如熱強(qiáng)旋組織均勻.然而總體來說，在相同的變形程度下熱壓縮試驗(yàn)得到的微觀組織和熱強(qiáng)旋試驗(yàn)得到的微觀組織是相似的.

3 平面應(yīng)變熱壓縮過程微觀組織演變

圖4為不同變形條件下平面壓縮后微觀組織的演變情況.從圖中可以看出，在平面壓縮變形過程中，金屬主要軸向流動(dòng).隨著壓縮量的增加，顯微組織逐漸細(xì)化，并沿軸向出現(xiàn)纖維組織.隨著變形溫度的升高，微觀組織發(fā)生動(dòng)態(tài)軟化，到800℃產(chǎn)生明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.隨著變形速率的增加，初生α相逐步減少，β轉(zhuǎn)變組織逐漸增多.

圖3 T=800℃和ε·=1/s時(shí)，不同的變形程度下熱強(qiáng)旋和熱壓縮試驗(yàn)的微觀組織

圖4 不同變形條件下的平面熱壓縮組織

圖5～7為基于Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟對(duì)經(jīng)830℃，1 h退火后的平面壓縮組織進(jìn)行定量分析，測(cè)得不同變形條件下的初生α相尺寸、再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和顯微硬度的變化情況.從圖5～6可以看出，隨著變形程度的增大、變形溫度的升高、變形速率的增加，初生α相尺寸逐步減小，再結(jié)晶分?jǐn)?shù)逐漸增加.這是因?yàn)樽冃纬潭仍黾邮沟貌牧系幕兡茌^大，溫度越高則原子的擴(kuò)撒和遷移加快，再結(jié)晶更容易發(fā)生，使得α相的尺寸減小，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)增加.而變形速率增大，變形的時(shí)間相應(yīng)的較短，位錯(cuò)密度較高，畸變能較大.此外，變形速率的增加使得變形過程中產(chǎn)生顯著的變形熱，由于鈦合金本身的導(dǎo)熱性很差使得變形熱難以迅速散失，導(dǎo)致材料內(nèi)部由于變形熱產(chǎn)生顯著溫升，從而導(dǎo)致再結(jié)晶比例增加，α→β轉(zhuǎn)變加快.

圖5 恒定變形速率下，變形溫度和壓縮量對(duì)初生α相尺寸的影響

圖6 恒定變形速率下，變形溫度和壓縮量對(duì)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的影響

圖7 恒定變形速率下，變形溫度和壓縮量對(duì)顯微硬度的影響

由圖7可知，隨著變形程度的增大、變形溫度的降低、變形速率的增加，顯微硬度也呈增大趨勢(shì).由于鈦合金在變形過程中產(chǎn)生加工硬化，變形程度越大，加工硬化效應(yīng)越明顯，使得顯微組織的硬度升高.值得注意的是，當(dāng)變形溫度為650℃和700℃、變形程度為20%時(shí)，在各個(gè)變形速率下顯微硬度的變化不大.這是因?yàn)樽冃纬潭容^低并且變形溫度也相對(duì)較低，材料中塑性變形較小且不均勻，變形速率對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響較小，所以顯微硬度差別不大.當(dāng)變形程度達(dá)到50%和80%時(shí)或者溫度達(dá)到750℃和800℃時(shí)，塑性變形比較充分，由于鈦合金是應(yīng)變速率敏感材料，此時(shí)其顯微硬度隨著變形速率的增加而逐漸增大.

4 TA15鈦合金熱旋變形組織性能預(yù)測(cè)

本文采用MATLAB軟件，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，以變形溫度、變形量和變形速率為輸入變量、以TA15鈦合金中初生α相晶粒尺寸、再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)以及顯微硬度為輸出變量，建立了3×7×3的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來對(duì)旋壓過程的組織性能演變進(jìn)行預(yù)測(cè).本文以平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本，對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并以7道次旋壓數(shù)據(jù)作為非樣本數(shù)據(jù)對(duì)該BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，以分析基于平面應(yīng)變壓縮模型預(yù)測(cè)旋壓過程組織性能預(yù)測(cè)的可行性.圖8為采用該BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)各道次旋壓組織性能預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的比較曲線.由圖可知，BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的初生α相尺寸、再結(jié)晶分?jǐn)?shù)及硬度變化與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，其中對(duì)初生α相尺寸預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差大都在9%以內(nèi)，只有第4號(hào)樣本的誤差在14%左右;對(duì)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)值和測(cè)試樣本值之間的最大相對(duì)誤差約12%之內(nèi);對(duì)顯微硬度的預(yù)測(cè)值和測(cè)試樣本值之間的相對(duì)誤差約在7%以內(nèi).結(jié)果表明本文所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)誤差較小(在15%以內(nèi))，說明采用平面熱壓縮試驗(yàn)來預(yù)測(cè)鈦合金熱旋壓過程的組織性能演變具有較好的可行性.需要指出的是，隨著變形量的增大，采用該模型對(duì)旋壓過程的組織性能演變預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值得偏差有增大趨勢(shì)，這可能與旋壓過程中大減薄率為多道次累積實(shí)現(xiàn)的，比平面壓縮中的單次變形微觀組織變形更均勻有關(guān)，因此有必要繼續(xù)研究多道次變形對(duì)組織均勻性的影響規(guī)律.

圖8 測(cè)試樣本的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值比較

5 結(jié)論

1)平面應(yīng)變壓縮和旋壓變形的顯微組織演變是比較相似的，均發(fā)生軸向流動(dòng)為主的變形，隨著變形程度的增大微觀組織逐漸拉長(zhǎng)成為細(xì)小的纖維組織.稍有不同的是平面壓縮變形的微觀組織不如多道次強(qiáng)旋變形組織均勻.

2)在平面應(yīng)變壓縮變形時(shí)，隨著變形程度的增大、變形溫度的升高、變形速率的增加，初生α相尺寸逐步減小，再結(jié)晶分?jǐn)?shù)逐漸增加.隨著變形程度的增大、變形溫度的降低、變形速率的增加，顯微硬度也呈增大趨勢(shì).由于鈦合金的應(yīng)變速率敏感性材料，應(yīng)變速率對(duì)顯微組織和硬度的影響在高溫和大變形量時(shí)表現(xiàn)更為顯著.

3)采用MATLAB軟件，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以變形溫度、變形量和變形速率為輸入變量、以TA15鈦合金中初生α相晶粒尺寸、再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)以及顯微硬度為輸出變量，建立了3×7×3的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，對(duì)旋壓過程的組織性能演變進(jìn)行了預(yù)測(cè).結(jié)果表明，本文所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)誤差在15%以內(nèi)，證明平面熱壓縮試驗(yàn)來模擬和預(yù)測(cè)鈦合金熱旋壓過程的組織性能演變具有較好的可行性.但是，采用該模型對(duì)旋壓組織性能預(yù)測(cè)誤差有隨著減薄率增大而增大趨勢(shì)，這與旋壓多道次變形較平面壓縮的單道次變形更為均勻有關(guān).

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