鈦合金熱處理工藝仿真研究進(jìn)展

朱 磊，肖納敏，王 浩，沙愛學(xué)

(1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710089； 2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院航空及發(fā)動(dòng)機(jī)材料應(yīng)用評(píng)價(jià)中心，北京 100095)

熱處理工藝是實(shí)現(xiàn)零部件微觀組織與性能調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。熱處理本身是溫度、組織轉(zhuǎn)變與應(yīng)力等交互作用的復(fù)雜過程[1-8]。因此在熱處理工藝實(shí)踐中，除微觀組織與性能的變外化，由于溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)等因素的影響，熱處理過程還會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力與翹曲變形，對(duì)后續(xù)的機(jī)加和裝配過程帶來不利影響[6]。由于熱處理過程受到多個(gè)因素的交互影響，在實(shí)踐中很難通過物理模擬的方式進(jìn)行研究，特別是熱處理發(fā)生在高溫階段，無法對(duì)組織、應(yīng)力、變形等過程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，室溫狀態(tài)的分析測(cè)試結(jié)果很難得到規(guī)律性成果。因此采用仿真技術(shù)對(duì)熱處理過程進(jìn)行虛擬分析，對(duì)深入理解熱處理過程的組織、應(yīng)力與溫度之間的相互影響規(guī)律，指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)具有重要意義。

鈦合金廣泛應(yīng)用于航空、航天等對(duì)零件性能和精度要求高的領(lǐng)域，其熱處理工藝設(shè)計(jì)同樣面臨著組織性能調(diào)控、殘余應(yīng)力與變形控制等難題。近二十年來，在鈦合金領(lǐng)域，研究者們?cè)跓崽幚硐嘧兓A(chǔ)理論、數(shù)值模型與軟件開發(fā)等方面開展了大量研究工作，熱處理工藝仿真在固溶時(shí)效、退火、熱校形等方面得到了深入應(yīng)用，有助于深入理解鈦合金零部件工藝-組織-性能的關(guān)聯(lián)性、殘余應(yīng)力與變形間產(chǎn)生制約機(jī)制，對(duì)熱處理工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了很好地支撐作用。本文對(duì)鈦合金熱處理工藝仿真基礎(chǔ)理論與應(yīng)用等方面展開綜述，并對(duì)未來的研究與應(yīng)用方向提出展望，為鈦合金熱處理仿真在相關(guān)制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 熱處理仿真基礎(chǔ)理論與模型進(jìn)展

鈦合金的熱處理過程包含溫度、組織轉(zhuǎn)變與應(yīng)力三方面交互作用，最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是針對(duì)相變和應(yīng)力的數(shù)值模型。因此，目前大部分基礎(chǔ)理論與建模的進(jìn)展主要集中在這兩方面。

鈦合金在熱處理過程中存在多種類型的相變，其中β、α相之間的轉(zhuǎn)變是最基本、最重要的一種，幾乎所有鈦合金在高溫冷卻或者時(shí)效過程中均會(huì)發(fā)生。鈦合金的β相為體心立方結(jié)構(gòu)，而α相為密排立方結(jié)構(gòu)，兩相之間存在嚴(yán)格的Burgers位向關(guān)系[9]。當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)，β-α轉(zhuǎn)變受到溶質(zhì)元素的擴(kuò)散控制，兩相中的成分會(huì)有明顯不同。除此以外，當(dāng)冷卻速度很大時(shí)，β相轉(zhuǎn)換成α相的過程可能來不及進(jìn)行，此時(shí)β相會(huì)發(fā)生馬氏體相變，轉(zhuǎn)變成與母相成分相同、晶體結(jié)構(gòu)不同的過飽和固溶體，如六方馬氏體α′和斜方馬氏體α′′，此時(shí)相變過程不發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，主要發(fā)生晶格重構(gòu)，轉(zhuǎn)變也沒有孕育期，相變動(dòng)力學(xué)過程很快。從上面描述還可看出，鈦合金基體組織的相變機(jī)制與鋼鐵材料中的奧氏體分解過程比較類似，也存在擴(kuò)散型和切邊型兩種類型的相變。同時(shí)許多試驗(yàn)研究均表明，β-α的擴(kuò)散型相變也包含孕育期，相變動(dòng)力學(xué)曲線也類似S型[10]。因此，許多在鋼鐵材料中的熱處理微觀組織計(jì)算方法也可用于鈦合金相變過程的計(jì)算。最經(jīng)典描述擴(kuò)散型相變的方程是Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)方程[11-13]，也被廣泛應(yīng)用于鈦合金的相變動(dòng)力學(xué)模擬。JMAK方程是描述等溫過程的相變體積分?jǐn)?shù)與時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過Schlie疊加原則[14-16]，可將非等溫相變過程等價(jià)為多個(gè)微小等溫過程的疊加，從而實(shí)現(xiàn)任意溫度下的微觀組織預(yù)測(cè)，如圖1所示[4]。通過對(duì)經(jīng)典JMAK方程的修正與發(fā)展，可進(jìn)一步在模型中考慮初始母相晶粒度的影響[17]。鈦合金的β相轉(zhuǎn)變過程中，會(huì)形成多種形貌的α相組織。針對(duì)鈦合金的這種特性，JMAK方程也被進(jìn)一步發(fā)展，可用于預(yù)測(cè)等軸晶、針狀組織等不同形貌α相的體積分?jǐn)?shù)及其動(dòng)力學(xué)特性。Koistinen-Margurger(KM)唯象模型及其變體形式被廣泛應(yīng)用于鋼與鈦合金的馬氏體切變型相變[18-19]。KM模型比較簡(jiǎn)潔，相變分?jǐn)?shù)與溫度之間的關(guān)系清晰明了，相關(guān)參數(shù)很容易確定，在軟件二次開發(fā)中很容易實(shí)現(xiàn)，但是KM模型不能準(zhǔn)確描述馬氏體相變初始階段的動(dòng)力學(xué)。

圖1 基于JMAK模型、等溫相變曲線與疊加原則模擬非等溫相變過程

Lusk等根據(jù)連續(xù)冷卻相變理論建立了針對(duì)擴(kuò)散型相變與切變型相變的統(tǒng)一唯象模型[20]，這兩類相變的體積分?jǐn)?shù)和溫度之間的關(guān)系可用公式(1)和(2)表示：

(1)

(2)

式中：φd和φm表示擴(kuò)散相變和切變相變組織的體積分?jǐn)?shù)；φα表示母相體積分?jǐn)?shù)；vd和vm為相變遷移率；α1、α2、β1、β2和ω為相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)。相關(guān)參數(shù)通過擬合CCT連續(xù)冷卻相變曲線獲得。

熱處理過程中，與微觀組織相關(guān)的力學(xué)響應(yīng)是另外一個(gè)重要的建模環(huán)節(jié)。由于熱處理過程的變形程度較小，為了準(zhǔn)確描述其力學(xué)響應(yīng)，其本構(gòu)模型中必須要包含彈性和塑性，同時(shí)還要考慮卸載回彈的影響。為了與微觀組織建立關(guān)聯(lián)，目前比較合理的熱處理力學(xué)本構(gòu)模型都是建立在單相的基礎(chǔ)上，針對(duì)每一種相變組織建立力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，然后整個(gè)材料的力學(xué)響應(yīng)通過非線性混合法則來確定[1]。近年來，Bammann、Chiesa和Johnson等從位錯(cuò)理論出發(fā)，提出一種基于內(nèi)變量的力學(xué)本構(gòu)模型，這一模型最初主要用于塑性變形和切削加工等工藝領(lǐng)域。近年來，Bammann-Chiesa-Johnson本構(gòu)模型也被用于熱處理仿真，來描述每一種相的本構(gòu)關(guān)系[21-24]。相比傳統(tǒng)的熱彈塑性模型，BCJ模型不僅可以準(zhǔn)確模擬回彈等因素對(duì)變形的影響，還可以實(shí)現(xiàn)和應(yīng)變速率相關(guān)的力學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè)，在較大的溫度區(qū)間和較大的變形速率范圍內(nèi)，都有很高的模擬精度。根據(jù)BCJ模型，每一個(gè)相的屈服判據(jù)可以用如下公式描述：

(3)

當(dāng)Dp≥0時(shí)，對(duì)應(yīng)相進(jìn)入屈服狀態(tài)，否則仍處于彈性狀態(tài)。在公式(3)中，α為張量?jī)?nèi)變量，k為標(biāo)量?jī)?nèi)變量，σ為偏應(yīng)力張量，Y為率無關(guān)函數(shù)，V和f為率相關(guān)函數(shù)。上述參數(shù)可以通過不同溫度下的單軸拉伸或壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合獲得。

在熱處理過程中，也必須考慮應(yīng)力與相變的交互作用，其中一個(gè)重要的現(xiàn)象就是相變塑性。相變組織由于晶格參數(shù)的不同，往往會(huì)發(fā)生體積變化。最典型的是在馬氏體相變過程中，會(huì)發(fā)生體積膨脹。這種膨脹會(huì)導(dǎo)致新相與母相之間發(fā)生相變誘導(dǎo)塑性現(xiàn)象，也就是在外加應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力狀態(tài)時(shí)發(fā)生的塑性變形。對(duì)整個(gè)變形影響較大，在實(shí)際過程中不可忽略。Greenwood和Johnson建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述這種相變過程中由于蠕變導(dǎo)致的塑性變形，在鋼鐵材料的熱處理仿真中得到了廣泛應(yīng)用。相變塑性效應(yīng)模型采用如下公式描述[25-26]：

(4)

2 熱處理仿真在鈦合金中的應(yīng)用

達(dá)索公司的Zhang和Chin等以增材制造工藝為研究對(duì)象[28-29]，針對(duì)鈦合金增材制造冷卻與熱處理過程，構(gòu)建出相變模擬框架，采用KM方程模擬快速冷卻過程的β-α′馬氏體相變，JMAK方程模擬鈦合金的β-α擴(kuò)散型相變動(dòng)力學(xué)，模型中考慮了β相的初始晶粒尺寸對(duì)相變動(dòng)力學(xué)的影響，也可以進(jìn)一步模擬α′相的板條束寬度[29]?；谶@一框架，在ABAQUS中進(jìn)行二次開發(fā)，成功預(yù)測(cè)了TC4鈦合金在增材制造過程中所得到的微觀組織(圖2)，模擬結(jié)果與掃描電鏡的試驗(yàn)結(jié)果吻合很好。

圖2 TC4鈦合金增材制造熱處理過程的微觀組織預(yù)測(cè)

Semiatin等構(gòu)建出基于平均場(chǎng)理論的相變模型[30]，可模擬任意冷卻路徑下的初生α相晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)，也可擴(kuò)展用于TC4和Ti6242合金中的雙態(tài)組織預(yù)測(cè)。將此模型和DEFORM有限元軟件結(jié)合，有限元模擬得到的零件局部位置冷卻路徑作為輸入條件，從而可模擬整個(gè)零件截面的微觀組織。Regner等采用Johnson-Mehl tessellation和Boolean 模型模擬TC4合金鍛造與熱處理過程初生α相的形成[31]，這一模型同樣基于平均場(chǎng)理論，可以與宏觀溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)相互耦合計(jì)算求解，如圖3與圖4所示。Teixeira等提出一個(gè)相變模型預(yù)測(cè)近β鈦合金在冷卻過程中的相變動(dòng)力學(xué)[32-33]。采用JMAK模型計(jì)算晶內(nèi)魏氏組織的相變動(dòng)力學(xué)，采用形核-長(zhǎng)大的平均場(chǎng)擴(kuò)散理論模擬晶界α相和魏氏組織的動(dòng)力學(xué)與形貌。該模型也可考慮因β相變形所帶來的β相晶粒尺寸及亞晶對(duì)相變的影響。此模型在Ti17合金和β-Cez合金中應(yīng)用，成功地預(yù)測(cè)了不同形態(tài)α相的體積分?jǐn)?shù)及其分布。Malinov和Sha等通過DSC試驗(yàn)曲線推導(dǎo)出JMAK方程參數(shù)，用于模擬β-α相變后，α晶粒的分?jǐn)?shù)以及形貌[36]。

圖3 采用3D Boolean模型預(yù)測(cè)TC4合金熱處理過程α相動(dòng)力學(xué)

圖4 TC4合金零件熱處理后發(fā)生的翹曲變形模擬與試驗(yàn)曲線對(duì)比(a)及變形實(shí)測(cè)結(jié)果(b)

Schuh等針對(duì)在外加應(yīng)力條件下的鈦合金相變超塑性現(xiàn)象提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，研究表明該模型可準(zhǔn)確模擬加熱與冷卻循環(huán)過程中產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽俊＝Y(jié)合JMAK方程，就可以建立一個(gè)耦合模型，描述溫度-應(yīng)力-相變之間的交互作用[27]。Malinov等建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來模擬成分與工藝對(duì)鈦合金微觀組織及力學(xué)性能的影響[34-35]。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型屬于黑箱算法，不涉及任何物理機(jī)制與建模，主要通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立工藝參數(shù)、成分與微觀組織、力學(xué)性能之間的關(guān)系。該模型最終決定的是微觀組織分?jǐn)?shù)以及對(duì)力學(xué)性能的影響，無法對(duì)應(yīng)力及翹曲變形進(jìn)行仿真模擬。Krafft等采用有限元軟件Forge構(gòu)建鈦合金熱處理過程的相變動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。該模型不僅可實(shí)現(xiàn)β相和α相分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)，還可預(yù)測(cè)α相的不同形貌及其占比。另外，此模型也常被用于Ti17和Ti-6Al-4V合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤均勻化、鍛造、退火的加工全過程[37]。

Odenberger等采用Zener-Wert-Avrami模型描述鈦合金的高溫應(yīng)力松弛行為，如圖5所示[38]。王偉等基于經(jīng)典Norton公式建立Ti-6Al-4V合金熱粘塑性本構(gòu)模型[39,43]，在對(duì)初始?xì)堄鄳?yīng)力做假設(shè)和簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，分析鈦合金薄板不同退火溫度對(duì)退火變形的影響規(guī)律，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果。劉向前等采用有限元法研究TC4薄壁圓筒件熱旋壓后的冷卻溫度場(chǎng)分布及冷卻后殘余應(yīng)力與變形情況，在此基礎(chǔ)上，考慮旋壓過程的殘余應(yīng)力，使用蠕變材料模型計(jì)算薄壁圓筒件去應(yīng)力退火的變形情況[41]。由于熱旋壓溫度以及退火溫度并未超過β相變點(diǎn)，因此在模擬過程中不用考慮基體相變的作用，主要考慮彈塑性以及蠕變塑性變形。王明偉等研究鈦合金真空熱處理及熱脹形過程數(shù)值模擬[42]，預(yù)測(cè)出加熱過程的滯后時(shí)間，并建立BT20鈦合金筒形件真空熱脹過程的熱力耦合有限元模型，得到可用于工業(yè)生產(chǎn)的工藝參數(shù)方案。陳濤等建立了TC18鈦合金退火態(tài)應(yīng)力松弛行為的本構(gòu)關(guān)系[40]，并用于長(zhǎng)直桿件焊后退火熱處理過程的模擬，研究了退火加熱與冷卻過程的殘余應(yīng)力與變形規(guī)律，結(jié)果為變形控制以及后續(xù)的熱校形工藝提供了指導(dǎo)依據(jù)。Alberg等采用數(shù)值模擬的方法研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件焊接及焊后熱處理過程的畸變變形問題[44]。

3 總結(jié)與展望

近三十年來，鈦合金熱處理工藝仿真的基礎(chǔ)理論、數(shù)值模型與工程應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展，在微觀組織分布、殘余應(yīng)力與翹曲變形預(yù)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。目前，在熱處理工藝中，引入計(jì)算機(jī)模擬已成為加工制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，人們對(duì)材料熱處理過程采用計(jì)算機(jī)模擬重要性和意義的認(rèn)識(shí)在不斷加深。

(a)高溫應(yīng)力松弛曲線以及模型擬合；(b)鈦合金薄板高溫?zé)岢尚魏蟮穆N曲變形結(jié)果；(c)應(yīng)力松弛后的翹曲變形模擬結(jié)果

鈦合金熱處理過程的數(shù)值模擬雖已取得一定進(jìn)展，但仍然面臨許多挑戰(zhàn)。例如，熱處理過程涉及到的外部因素復(fù)雜，除模型和算法的可靠性外，材料及介質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性也是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。這些參數(shù)包括熱物性參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、熱膨脹系數(shù)、相變潛熱)、力學(xué)性能參數(shù)(彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、塑性模量)、相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)、相變膨脹系數(shù)、相變塑性系數(shù)和淬火過程中的工件表面各處的換熱系數(shù)等[3]。以界面換熱系數(shù)為例，這一參數(shù)是決定工件溫度場(chǎng)分布的核心參數(shù)，與介質(zhì)、工件以及實(shí)際的工藝實(shí)施方案密切相關(guān)。因此在實(shí)際熱處理仿真中，必須要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件進(jìn)行測(cè)量和反求，才能讓模擬結(jié)果接近實(shí)際情況。此外，熱處理殘余應(yīng)力和變形的高精度仿真仍然是一個(gè)難點(diǎn)，一方面殘余應(yīng)力很難通過試驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)證和校核，需要發(fā)展先進(jìn)的殘余應(yīng)力試驗(yàn)技術(shù)對(duì)相關(guān)模型和算法進(jìn)行驗(yàn)證；另一方面熱處理變形涉及到的溫度范圍寬，影響因素較多，對(duì)材料的本構(gòu)模型與計(jì)算精度提出很高要求，需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究[1]。

近年來，基于介觀尺度的微觀組織演化計(jì)算方法也得到了很大的發(fā)展。以相場(chǎng)方法為代表的介觀計(jì)算方法可從機(jī)理上模擬鈦合金熱處理過程發(fā)生的相變[45-49]，不再局限于JMAK模型等平均場(chǎng)理論，可從單個(gè)晶粒的層次來模擬微觀組織演化，不僅可預(yù)測(cè)相變組織及其體積分?jǐn)?shù)，還可預(yù)測(cè)組織形貌、溶質(zhì)元素分布甚至新相變體取向規(guī)律。未來隨著計(jì)算機(jī)能力的增強(qiáng)以及算法的發(fā)展，有望將介觀尺度微觀組織演化計(jì)算方法與宏觀的溫度場(chǎng)以及應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算，從而使熱處理工藝仿真向多尺度方向發(fā)展，使材料設(shè)計(jì)與零部件制備有效結(jié)合起來。未來隨著基礎(chǔ)理論、模型和材料數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善，熱處理技術(shù)終將擺脫憑經(jīng)驗(yàn)依賴，向精確預(yù)測(cè)、定量控制和設(shè)計(jì)制造一體化與智能化的方向飛躍。