形狀比對(duì)TC4-DT鈦合金厚板軋制變形滲透性影響規(guī)律

黃先明，劉江林，曾衛(wèi)東，謝英杰，戴　毅，李　輝

(1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西　西安　710201)(2.西北工業(yè)大學(xué)　凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西　西安　710072)

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形狀比對(duì)TC4-DT鈦合金厚板軋制變形滲透性影響規(guī)律

黃先明1，劉江林2，曾衛(wèi)東2，謝英杰1，戴毅1，李輝1

(1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西西安710201)(2.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710072)

基于熱模擬壓縮試驗(yàn)得到的流變應(yīng)力曲線，建立了TC4-DT鈦合金厚板單道次熱軋模擬仿真平臺(tái)，對(duì)不同壓下率和形狀比條件下的熱軋過(guò)程進(jìn)行仿真分析，以等效塑性應(yīng)變?yōu)?.2作為透性衡量指標(biāo)，研究了板坯厚度方向變形滲透規(guī)律。經(jīng)擬合，得到TC4-DT鈦合金軋制時(shí)形狀比(SR)與變形滲透深度的經(jīng)驗(yàn)公式為：y=29.1exp(3.2SR)-60.66。提高形狀比可顯著改善TC4-DT鈦合金厚板心部的變形程度，提高板材的一次合格率。

TC4-DT鈦合金；厚板；熱軋；變形滲透性；有限元

0　引　言

鈦及鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度、耐熱、耐蝕等特性，是優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、能源化工及汽車(chē)等領(lǐng)域具有廣泛的用途。以TC4和TC4-DT為代表的鈦合金厚板，是大飛機(jī)、新型戰(zhàn)機(jī)的關(guān)鍵材料之一。隨著新型飛機(jī)朝著大型化、高減重、長(zhǎng)壽命的方向不斷發(fā)展，對(duì)可顯著提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效益的鈦合金厚板的需求明顯增加。另外，鈦合金厚板在艦船和海洋工程中的應(yīng)用日益增加，如深海潛水器載人艙等。

由于鈦合金厚板或特厚板中心變形程度直接影響到其力學(xué)性能和探傷結(jié)果等，因此從表面到中心的變形滲透及組織均勻性成為軋制規(guī)程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。軋制變形滲透性可以借助于徑向鍛造鍛透性[1]進(jìn)行分析研究。關(guān)于鍛透性，周旭東等[2]依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法提出了計(jì)算鍛透深度的公式；基于解析方法，楊時(shí)勇[3-4]借助于物理模擬實(shí)驗(yàn)的摩爾方法，分析了位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，同時(shí)使用滑移線法對(duì)徑向鍛造工藝的鍛透性進(jìn)行了系統(tǒng)研究；基于有限元方法，周旭東等[5-6]定量分析了鍛透性和壓下量及軸向送進(jìn)時(shí)間的關(guān)系；胡宗式[7]基于微觀組織觀測(cè)定性評(píng)判了壓下量對(duì)鍛透性的影響。目前，在板材軋制領(lǐng)域，有文獻(xiàn)[1-2]提出了使用高形狀比改善心部變形滲透性的軋制工藝；李麗敏等[8]提出了使用εmax/εmin作為衡量軋透性的方法；于爽等[9]通過(guò)模擬分析、微觀組織觀測(cè)等手段分析了形狀比對(duì)鋼板內(nèi)部質(zhì)量的影響，證明了高形狀比有利于改善厚板內(nèi)部質(zhì)量,提高鋼板的合格率；馬興云[10]使用Q345q鉆孔板坯單道次軋制試驗(yàn)，研究了形狀比與變形滲透性的影響規(guī)律，給出了實(shí)際生產(chǎn)需要達(dá)到的形狀比數(shù)值。圖1為形狀比(SR，軋制變形接觸區(qū)弧長(zhǎng)在軋制方向的投影與軋件平均厚度之比)不同的板材軋制示意圖。

圖1　形狀比(SR)不同的板材軋制示意圖Fig.1　　　　Plate rolling schematic diagram of titanium plate under different SR

資料[6]顯示，在保證軋機(jī)能力的前提下，SR越大，則板坯中心變形滲透越充分。但是，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金熱軋厚板中心變形滲透性的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，使用試錯(cuò)法必然帶來(lái)人力、物力和財(cái)力問(wèn)題。本研究通過(guò)軸對(duì)稱(chēng)等溫壓縮試驗(yàn)，得到不同溫度和應(yīng)變速率條件下TC4-DT鈦合金流變應(yīng)力數(shù)據(jù)，分別建立了兩相區(qū)和單相區(qū)本構(gòu)關(guān)系模型，再通過(guò)URPFLO.F子程序接口建立了TC4-DT鈦合金本構(gòu)關(guān)系子程序，進(jìn)而搭建TC4-DT鈦合金厚板單道次熱軋過(guò)程仿真平臺(tái)，研究形狀比和壓下量對(duì)變形滲透性的影響規(guī)律。

1　有限元模型

在板材軋制變形過(guò)程中，各道次來(lái)料寬度與厚度的比值較大，因此通常認(rèn)為板帶的熱軋過(guò)程是一個(gè)平面變形過(guò)程，可建立二維有限元模型來(lái)模擬該過(guò)程。再者，本研究重點(diǎn)在形狀比對(duì)板材中心變形滲透的影響，二維模型分析更直觀有效。根據(jù)板材軋制的對(duì)稱(chēng)性，取軋件的一半與一個(gè)軋輥建立幾何模型。

1.1材料模型

金屬材料的熱變形是一個(gè)熱激活的過(guò)程，應(yīng)變速率和變形溫度可以通過(guò)Zener-Holloman參數(shù)作用于Arrhenius方程中，Z參數(shù)及Arrhenius方程的三種形式分別如式(1)、(2)、(3)和(4)所示[11]。

(1)

(2)

(3)

(4)

確定材料常數(shù)以后，利用Z參數(shù)與材料常數(shù)表示的本構(gòu)方程見(jiàn)下式：

(5)

從文獻(xiàn)[12]得知，兩相區(qū)與單相區(qū)得到的材料常數(shù)具有顯著差別，所以將材料常數(shù)計(jì)算分為兩個(gè)區(qū)進(jìn)行，見(jiàn)圖2。得到的TC4-DT鈦合金本構(gòu)關(guān)系模型如下。

基于此模型，借助MSC_Marc有限元軟件子程序接口URPFLO.F，建立TC4-DT鈦合金本構(gòu)子程序。

1.2位移邊界條件設(shè)置

軋件在厚度方向?yàn)閷?duì)稱(chēng)圖形，對(duì)稱(chēng)面在厚度方向不應(yīng)有位移，因此Y向位移等于0。

圖2　材料常數(shù)擬合關(guān)系曲線Fig.2　The relationship curves of material constants fitting

軋件進(jìn)入輥縫前，如果沒(méi)有初始速度或外力則無(wú)法進(jìn)入輥縫，本模擬計(jì)算中在軋件上施加重力方向和軋向體積載荷(Global load)，當(dāng)軋件送進(jìn)輥縫后，在軋輥摩擦力作用下建立穩(wěn)定的咬入過(guò)程后即可釋放這一邊界條件，使其按照正常軋制過(guò)程軋制。

1.3傳熱邊界條件設(shè)置

軋件的自由表面與周?chē)h(huán)境存在對(duì)流和輻射換熱，傳熱邊界可統(tǒng)一為式(6)：

(6)

式中，q1為自由表面與環(huán)境之間的熱交換系數(shù)，T為軋件表面溫度，T∞為環(huán)境溫度，α為綜合換熱系數(shù)。

α可由式(7)給出：

α=h+hr

(7)

式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，hr為輻射換熱系數(shù)。

hr可由式(8)給出：

(8)

式中，σ為波爾茲曼常數(shù)，E為熱輻射率(這里取0.8)。

由式(7)和(8)可以確定綜合換熱系數(shù)α=0.17 kW/(m2·℃)。在Marc程序中α作為傳熱邊界條件輸入，因?qū)ΨQ(chēng)面無(wú)傳熱，所以只在模型的3個(gè)面上施加該邊界條件，如圖3所示。

1.4接觸邊界條件設(shè)置

接觸是邊界條件高度非線性的復(fù)雜問(wèn)題，需要準(zhǔn)確追蹤接觸前多個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)及接觸后各個(gè)物體之間的相互作用，同時(shí)還要兼顧接觸面之間的摩擦行為及接觸傳熱。首先，產(chǎn)生接觸的兩個(gè)物體需滿足無(wú)穿透約束條件。接觸邊界條件包括機(jī)械邊界、熱邊界和摩擦邊界。機(jī)械邊界如上述只需定義物體

圖3　TC4-DT鈦合金板材熱軋有限元模型Fig.3　Hot rolling FE model of TC4-DT titanium alloy plate

的運(yùn)動(dòng)約束和相互作用，程序會(huì)自動(dòng)探測(cè)接觸區(qū)域，施加接觸約束條件。計(jì)算中，定義軋件為變形體，且上下兩層單元為接觸單元；軋輥為剛性體，認(rèn)為軋制過(guò)程中熱平衡時(shí)具有恒溫200 ℃，且軋輥被賦以初始轉(zhuǎn)速，軋件在Global load作用下進(jìn)入輥縫，并在摩擦力作用下被咬入，軋件與軋輥之間的接觸熱傳導(dǎo)可以表示為式(9)：

q2=Hc(Td-T)

(9)

式中:q2為軋輥與軋件之間的接觸導(dǎo)熱系數(shù)；Hc為接觸傳熱系數(shù)，對(duì)于TC4-DT鈦合金板材軋制,取Hc=10 kW/(m2·℃)，最終建立穩(wěn)定的軋制過(guò)程；Td為軋件表面溫度；T為與軋件接觸的軋輥表面溫度(T=200 ℃)。Hc可作為接觸傳熱邊界條件輸入。

本模型作為熱力耦合的接觸分析，塑性功轉(zhuǎn)化的熱和摩擦生熱分別當(dāng)作體積熱流和表面熱流來(lái)處理。對(duì)金屬來(lái)講，功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)(f)定義為0.9。在考慮摩擦生熱時(shí)，將摩擦產(chǎn)生的熱流分別平分到接觸的兩個(gè)物體表面，作為表面熱流加熱接觸體。

厚度為220 mm的TC4-DT鈦合金板材熱軋(軋輥直徑為830 mm)變形滲透模擬方案見(jiàn)表1。

表1TC4-DT鈦合金板材熱軋變形滲透模擬方案

Table 1　　　　Simulation scheme of hot rolling deformation penetration of TC4-DT titanium alloy plate

2　模擬結(jié)果分析

圖4給出了壓下量不同的板材軋制變形滲透程度模擬圖(以等效塑性應(yīng)變0.2[8]為變形滲透閾值)。從圖中可以看出，隨著壓下量增加，變形滲透深度逐漸增加(深灰色部分為滲透區(qū))，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定壓下量后，滲透區(qū)逐漸穿越板材中心，視為板材變形充分。但是，隨著變形量增加，淺灰色區(qū)域出現(xiàn)并逐漸增厚，此區(qū)域?yàn)榈刃?yīng)變小于0.2的區(qū)域，其產(chǎn)生的原因是：隨著軋制壓下量增加，在軋件表層厚度方向產(chǎn)生變形“死區(qū)”，此區(qū)域的厚度隨壓下量升高逐漸增厚，正是此區(qū)域的存在增加了厚板熱軋時(shí)中心的變形程度，有利于板材熱軋變形滲透。

圖4　壓下量不同的軋制形變深度模擬圖Fig.4　　　　Simulated diagrams of rolling deformation depth under different reduction

表2列出了不同形狀比時(shí)板材熱軋變形滲透程度。

表2　TC4-DT鈦合金板材熱軋變形滲透模擬結(jié)果

為了定量描述形狀比與變形深度之間的關(guān)系，擬合表2中SR與變形滲透深度數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖5)，得出擬合經(jīng)驗(yàn)公式為：y=29.1exp(3.2SR)-60.66。從該擬合公式可以得出，鈦合金板材軋制厚度方向變形深度與形狀比呈指數(shù)關(guān)系，提高形狀比可顯著改善厚規(guī)格鈦合金板材的心部變形程度，提高鈦合金板材的一次合格率。

圖5　　　　熱軋TC4-DT鈦合金板材時(shí)形狀比與變形深度的關(guān)系曲線Fig.5　　　　Relationship between deformation depth and SR for hot rolling TC4-DT titanium alloy plate

表3給出了熱軋TC4-DT鈦合金板材時(shí)3種形狀比條件下變形滲透的模擬結(jié)果與擬合公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。分析表中數(shù)據(jù)可以看出，此擬合公式具有較高的精度。

表3　　　　熱軋TC4-DT鈦合金板材時(shí)3種形狀比下變形滲透模擬結(jié)果與擬合公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3　結(jié)　論

(1)通過(guò)等溫?zé)崮M壓縮試驗(yàn)獲得TC4-DT鈦合金流變應(yīng)力數(shù)據(jù)，建立了該合金兩相區(qū)和單相區(qū)本構(gòu)關(guān)系模型，并將其寫(xiě)入子程序URPFLO.F中?；贛arc建立了TC4-DT鈦合金厚板軋制過(guò)程仿真平臺(tái),并對(duì)不同SR條件下的熱軋過(guò)程進(jìn)行仿真分析。經(jīng)擬合得出TC4-DT鈦合金軋制時(shí)SR與變形滲透深度的經(jīng)驗(yàn)公式為：y=29.1exp(3.2SR)-60.66。

(2)TC4-DT鈦合金板材軋制厚度方向變形深度與形狀比呈指數(shù)關(guān)系，提高形狀比可顯著改善厚規(guī)格鈦合金板材的心部變形程度，提高鈦合金板材的一次合格率。

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Influence of Shape-ratio on Rolling Deformation Penetration of TC4-DT Titanium Alloy Thick Plate

Huang Xianming1,Liu Jianglin2,Zeng Weidong2,Xie Yingjie1,Dai Yi1,Li Hui1

(1.Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710201，China) (2.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The single-pass hot rolling platform of TC4-DT titanium alloy thick plate was established based on the flow stress data obtained from compression tests. Several conditions under different screw-rate and shape ratio were simulated on the platform. The equivalent plastic strain of 0.2 was selected to measure deformation penetration, which studied the deformation penetrating law along the slab thickness direction.The experience formula about the shape ratio(SR) and the deformation penetration depth of TC4-DT titanium alloy were obtained，which wasy=29.1exp(3.2SR)-60.66.The core deformation degree of TC4-DT titanium alloy thick plate increased obviously by the increasing of shape ration,and the once pass rate could also be increased.

TC4-DT titanium alloy; thick plate; hot rolling; deformation penetration; finite element

2015-05-07

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2012KTZB01-03);教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”項(xiàng)目(NCET-07-0696)

黃先明(1982—)，男，工程師。

TG337.6

A

1009-9964(2016)01-0028-05