TC4鈦合金熱鍛雙相及晶粒時(shí)空演變分析

權(quán)國輝，白 玲

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，河南 鄭州 450121）

0 引言

TC4鈦合金（Ti-6A1-4V）是一種（α+β）兩相鈦合金，具有良好的工藝塑性、超塑性、焊接性和抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)[1-3]，鍛造是鈦合金結(jié)構(gòu)件主要加工方法之一。當(dāng)材料化學(xué)成分一定時(shí)，鍛件性能取決于鍛件的微觀組織[4,5]，因此對(duì)鍛件微觀組織的研究具有重要的意義?，F(xiàn)運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)TC4鈦合金大型模鍛件二梁進(jìn)行有限元數(shù)值分析，揭示鍛造過程中鍛件各位置晶粒的時(shí)空演變規(guī)律及工藝過程中相的動(dòng)態(tài)行為，為大型鈦合金零件的鍛造提供了理論依據(jù)和參考。

1 有限元模擬方案

1.1 坯料形狀設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用尺寸為3 512 mm×138 mm×276 mm，體積約47 861 cm3的TC4鈦合金大型模鍛件二梁，其鍛造過程在800 MN的液壓機(jī)上進(jìn)行。為了方便研究，將坯料和鍛件沿模型中YOZ平面剖分，并將鍛件和坯料頭部定義為A區(qū)域，將中間部分定義為B區(qū)域，將尾部定義為C區(qū)域。其坯料、鍛件及模具形狀如圖1所示。

1.2 建立有限元模型

（1）模擬中將坯料設(shè)置為塑性體，流變應(yīng)力采用材料庫中所給數(shù)據(jù)，網(wǎng)格數(shù)量為80 000；將模具設(shè)置為剛性體，模具網(wǎng)格數(shù)量劃分為10 000，型腔等位置按與整體比例0.1的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化。

圖1 坯料與鍛件及模具零件形狀

（2）坯料與模具零件間摩擦方式采用剪切摩擦，摩擦因數(shù)為0.3。

（3）環(huán)境溫度選擇20℃，坯料初始溫度設(shè)置為350℃。

（4）鍛造過程中坯料與模具零件熱傳導(dǎo)系數(shù)為11 kW/(m2·℃)，坯料與空氣的熱對(duì)流換熱系數(shù)為20 W/(m2·℃)，坯料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)用石棉包裹時(shí)與環(huán)境的熱對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·℃)，模具零件與環(huán)境間熱對(duì)流換熱系數(shù)為20 W/(m2·℃)。

（5）微觀模擬設(shè)置：初始晶粒尺寸設(shè)為50 μm，平均晶粒尺寸設(shè)為50 μm，初始α、β相體積分?jǐn)?shù)均為50%。其余有限元模擬工藝參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模擬工藝參數(shù)

1.3 工藝方案

由于該鍛件成形較容易，為了節(jié)約成本，簡化工藝，不采用預(yù)鍛，而采用二火次鍛造以提高鍛造時(shí)的溫度，減小鍛造時(shí)模具承受的載荷。確定工藝方案如下：一火加熱→轉(zhuǎn)運(yùn)→一火鍛造→冷卻→二火加熱→轉(zhuǎn)運(yùn)→二火鍛造→冷卻。

按照以上工藝路線設(shè)置坯料溫度960℃、液壓機(jī)速度5 mm/s進(jìn)行模擬，得到模具承受的載荷結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，模具承受的載荷為6.18×108N，在800 MN液壓機(jī)的鍛造范圍內(nèi)，滿足鍛造設(shè)備要求，說明上述工藝方案可行。

圖2 采用二火加熱鍛造工藝的行程-載荷曲線

2 晶粒時(shí)空演變分析

2.1 一火鍛造時(shí)晶粒時(shí)空演變分析

現(xiàn)研究主要針對(duì)一火鍛造過程中TC4鈦合金晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。TC4鈦合金（α+β）相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟霓D(zhuǎn)變溫度為（990±15）℃，再結(jié)晶轉(zhuǎn)變開始溫度為750℃[6]，所以當(dāng)變形區(qū)域變形量足夠大且達(dá)到該溫度范圍時(shí)即可發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。圖3所示為鍛造開始時(shí)坯料的溫度分布，此時(shí)整個(gè)坯料溫度都在750℃以上，因此在鍛造過程中達(dá)到臨界應(yīng)變都能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖3 一火鍛造前坯料溫度分布

一火鍛造過程中的平均晶粒尺寸和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的變化如圖4所示。由圖4可知，隨著鍛造的進(jìn)行，平均晶粒尺寸逐漸減小，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，說明在鍛造過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，并且再結(jié)晶晶粒尺寸比原始晶粒尺寸小。從圖4（b）可以看出，鍛造剛開始和結(jié)束時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速度較慢，而中間過程動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速度較快。開始速度較慢是因?yàn)榕髁洗蟛糠謪^(qū)域未發(fā)生變形，而快結(jié)束時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速度較慢是因?yàn)閯?dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)接近于1。中間過程坯料發(fā)生大量變形，大部分區(qū)域都在再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，因此能以較快速度發(fā)生大量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

一火鍛造時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是從A區(qū)域→B區(qū)域→C區(qū)域依次發(fā)生，最終整個(gè)鍛件全部完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。B、C區(qū)域發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的速度比A區(qū)域快，且發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形式也有所不同，A、C區(qū)域主要依靠先形成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域向未結(jié)晶推進(jìn)，而B區(qū)域還存在新的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域的產(chǎn)生和以此為中心向外擴(kuò)散的形式。

2.2 二火鍛造時(shí)晶粒時(shí)空演變分析

圖4 一火鍛造時(shí)晶粒的時(shí)空演變分析

二火鍛造開始時(shí)坯料的溫度分布如圖5所示，此時(shí)坯料約有80%的區(qū)域在750℃。溫度低于750℃的區(qū)域也可能在鍛造過程中吸收轉(zhuǎn)化的熱量達(dá)到750℃以上，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖5 二火鍛造開始時(shí)坯料溫度分布

二火鍛造過程中的平均晶粒尺寸和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的變化如圖6所示，與一火鍛造不同的是，二火鍛造快速發(fā)生大量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的時(shí)間是在鍛造過程初期。這是因?yàn)槎疱懺鞎r(shí)模具與坯料一開始就發(fā)生大面積接觸和大量變形，以較快的速度發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖6 二火鍛造時(shí)晶粒的時(shí)空演變分析

最終動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)仍接近于1，但低于一火鍛造動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)。這是因?yàn)樵阱懠嗀區(qū)域的部分表面在鍛造過程中再一次發(fā)生了局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)減小。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶繼續(xù)緩慢進(jìn)行直至鍛造結(jié)束，鍛造結(jié)束后仍有部分區(qū)域沒有完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，主要集中在A區(qū)域下表面，B區(qū)域表面也存在少數(shù)。

3 相的時(shí)空演變分析

鍛造工藝過程中α相和β相體積分?jǐn)?shù)的變化情況如圖7所示，除了初始狀態(tài)，其余階段α相的體積分?jǐn)?shù)都在90%以上，而β相始終較少，只有在2次加熱過程中β相的體積分?jǐn)?shù)才有小幅度的增加。這是因?yàn)殄懺旃に囘^程中坯料溫度降低，只有少部分區(qū)域能達(dá)到975℃以上，即達(dá)到（α+β）兩相區(qū)溫度。

圖7 相的時(shí)空演變分析

圖8 α相向β相轉(zhuǎn)變的情況

鍛件各區(qū)域α相向β相轉(zhuǎn)變的情況如圖8所示，各區(qū)域心部的α相體積分?jǐn)?shù)較高，說明在這過程中，表面更容易發(fā)生α相向β相的轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)榧訜徇^程心部受熱程度慢于表面。在α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟耐瑫r(shí)，也有少量β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。但隨著時(shí)間的推移，各處溫度均逐漸降低到975℃以下，β相幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵料囿w積分?jǐn)?shù)達(dá)到99.2%。

二火加熱鍛造與一火加熱鍛造的相變化情況相似。鍛件溫度沒有達(dá)到975℃之前，β相大量轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，α相體積分?jǐn)?shù)幾乎達(dá)到100%，當(dāng)鍛件溫度達(dá)到975℃以上時(shí)，α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵?dāng)有約6%的α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪鄷r(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，直至加熱過程結(jié)束。

4 結(jié)束語

通過對(duì)TC4鈦合金熱鍛雙相及晶粒時(shí)空演變分析，得到以下結(jié)論。

（1）一火鍛造時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶按照A區(qū)域→B區(qū)域→C區(qū)域的順序依次發(fā)生，再結(jié)晶形式在各區(qū)域不一致。A區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速度較慢，而B、C區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的速度較快，最終鍛件幾乎全部完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

（2）二火鍛造時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶一開始就以較快的速度在鍛件心部和表面迅速發(fā)生，隨后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的速度減慢。相對(duì)于表面，心部的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較先發(fā)生，最終鍛件有少部分區(qū)域未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

（3）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生與鍛件在工藝過程中的變形情況有關(guān)。模具零件首先與A區(qū)域的角部接觸，由于A區(qū)域頭部有斜度，變形過程較慢。當(dāng)B區(qū)域和模具零件接觸時(shí)，由于B區(qū)域是平面，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大面積接觸和大量變形，隨即以較快的速度發(fā)生大范圍的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由于C區(qū)域最薄，最后產(chǎn)生變形，也在最后發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

（4）鍛件組織的相變主要和鍛件溫度分布有關(guān)。一火加熱鍛造和二火加熱鍛造的相時(shí)空演變具有相似的規(guī)律。在加熱過程中，β相首先大量轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，?dāng)局部溫度達(dá)到975℃以上時(shí)，該部分的少數(shù)α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，β相體積分?jǐn)?shù)約為6%時(shí)達(dá)到平衡，直至加熱結(jié)束。當(dāng)坯料溫度下降時(shí)，β相又開始向α相轉(zhuǎn)變。