TC4鈦合金管氣壓校圓工藝的研究淺談

楊會(huì)榮

（中核動(dòng)力設(shè)備南京公司，南京 210000）

1 基本材料選取

材料：鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(α+β)型鈦合金，圖1所示為其組織。

圖1

化學(xué)成分如下：

2 材料基本性能簡(jiǎn)介

具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能，使用溫度為300～350℃。比強(qiáng)度大。TC4的強(qiáng)度sb=1.012GPa，密度g=4.4×103，比強(qiáng)度sb/g=23.5，而合金鋼的比強(qiáng)度sb/g小于18。鈦合金熱導(dǎo)率低。鈦合金的熱導(dǎo)率為鐵的1/5、鋁的1/10，TC4的熱導(dǎo)率l=7.955W/m·K。與一般鈦合金相比，鈦鋁金屬間化合物的最大優(yōu)點(diǎn)是在較高的溫度條件下仍能保持良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，其中部分合金的最高使用溫度達(dá)到816℃，個(gè)別合金使用溫度達(dá)到982℃，重量輕，耐高溫，高強(qiáng)度，抗蠕變性能好使其成為未來(lái)海洋裝備和航空裝備最具競(jìng)爭(zhēng)力的材料。鈦無(wú)毒、無(wú)重金屬析出，強(qiáng)度高且具有和人體較好的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，例如人體的骨關(guān)節(jié)，連接件，固定板等可用作植入人體的植入物等。目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。

3 材料應(yīng)變、時(shí)間和溫度的模擬關(guān)系

應(yīng)變和溫度的關(guān)系，在815℃速率和流變峰值應(yīng)變圖如圖2：

圖2

初始應(yīng)變速率為5×10-3s-1、溫度為900℃，分別保溫5，10，15min進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲得如下應(yīng)變與應(yīng)力的相應(yīng)的曲線如圖3所示。

圖3

如圖3所示：在試驗(yàn)高溫過(guò)程的拉伸，材料由于相應(yīng)的應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力先是很快達(dá)到頂值，然后又逐漸下降；并且隨著對(duì)應(yīng)應(yīng)變的增加，后期曲線逐漸變得平緩。保溫時(shí)間為0～16min范圍內(nèi)，應(yīng)變應(yīng)力曲線在短時(shí)間內(nèi)變化很大，圖形形成急速上升。

4 建立數(shù)學(xué)模型及模具相關(guān)參數(shù)的模擬選取

在建立有限元模擬狀態(tài)之中，建立了合金材料模擬變形的變動(dòng)應(yīng)力，與宏觀熱力參數(shù)之間的關(guān)系，為了獲得相應(yīng)的數(shù)值模擬最終狀態(tài)數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。文章通過(guò)對(duì)比指數(shù)模擬，串聯(lián)模擬，以及并聯(lián)模型Johnson-Cook，還有Kumar 5種高溫基本類型關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集整理，最終采用 Kumar模型在溫度為：850～930℃，變化速率為：4×10-4～1×10-2s-1，實(shí)際應(yīng)變?yōu)檎鎸?shí)變形的范圍內(nèi)，模擬建立了合金的高溫本構(gòu)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

氣壓成形是建立在高溫前提下的變形過(guò)程，模具和工件在溫度變化的同時(shí)會(huì)發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，并且考慮兩種材料的膨脹系數(shù)不同，變形量有差異，通過(guò)對(duì)比各類高溫模具材料不同溫度下的力學(xué)性能，特別是合金與這些材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行比較后。最后將選擇Ni7N即ZG35Cr24Ni7SiN作為TC4氣壓成形模具材料。并依據(jù)兩者的高溫的機(jī)械性能參數(shù)和大型模具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定模具型面的縮放系數(shù)為6‰。

升溫 鈦管外徑 D=D0*(1+α*ΔT)

模具內(nèi)徑 D2=D1*(1+α*ΔT)

加壓 鈦管應(yīng)力σ=P*D/2

應(yīng)變量ε=D2/D-1

卸壓 鈦管外徑D3=D(1+ε)

D0：升溫前管外徑，毫米

D：升溫后管外徑，毫米

D1:升溫前模具內(nèi)徑，毫米

D2：升溫后模具內(nèi)徑，毫米

ε：板厚，毫米

α：K-1

聯(lián)立以上可求模具內(nèi)徑，加工氣壓。

在此基礎(chǔ)上根據(jù)FEA的計(jì)算結(jié)果，確定了上下模具的結(jié)構(gòu)和尺寸。以上設(shè)計(jì)不考慮鈦管加工減薄量和加工過(guò)程是恒溫。

5 結(jié)論

通過(guò)以上模擬計(jì)算和模具的模擬設(shè)計(jì)研究，為制造強(qiáng)度高，公差要求嚴(yán)的零部件提供了一種新的成型方案。