TC1鈦合金板材熱加工性能研究

朱麗，孔融，吳偉平，陳新華，何曉健，孟寶

應(yīng)用技術(shù)

TC1鈦合金板材熱加工性能研究

朱麗1，孔融2，吳偉平1，陳新華1，何曉健1，孟寶2

（1. 沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司工藝研究所，沈陽 110850；2. 北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

研究新一代飛機用TC1鈦合金板材在不同溫度和應(yīng)變速率下的熱塑性變形行為，進行熱變形本構(gòu)建模，構(gòu)建熱加工圖。在Gleeble-3500熱模擬試驗機上開展TC1鈦合金板材在溫度為500～650 ℃、應(yīng)變速率為0.01～0.000 1 s?1條件下的等溫恒應(yīng)變速率單向拉伸試驗，利用應(yīng)變補償?shù)碾p曲正弦模型進行熱變形本構(gòu)擬合，繪制熱加工圖。在同一溫度下，TC1鈦合金的流動應(yīng)力隨應(yīng)變速率的減小而降低，但伸長率增加，最大斷裂應(yīng)變增大；變形溫度在500 ℃時，加工硬化占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著溫度升高至550、600、650 ℃，硬化階段變短，應(yīng)力達到峰值后很快下降，發(fā)生軟化，此時熱軟化占主要地位。建立的應(yīng)變補償?shù)碾p曲正弦本構(gòu)模型能夠有效描述TC1鈦合金板材在不同溫度和應(yīng)變速率條件下的熱塑性變形行為；根據(jù)建立的TC1鈦合金板材熱加工圖，可以確定其熱加工工藝窗口為600～650 ℃、0.000 1～0.001 s?1，為TC1鈦合金板的熱加工提供科學(xué)指導(dǎo)。

TC1鈦合金板材；熱塑性變形；本構(gòu)模型；熱加工圖

TC1鈦合金是一種低合金化的α+β兩相鈦合金，具有中等強度和良好的焊接性能，常用作飛機蒙皮和進氣道材料，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于鈦合金常溫塑性差、變形抗力大，目前鈦合金的加工多以熱成形為主，研究鈦合金的熱塑性變形對改進實際成形工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

本構(gòu)模型是描述材料流變行為與熱力參數(shù)之間關(guān)系的函數(shù)，其精確程度直接影響工藝設(shè)計計算和有限元仿真的準確性。劉少飛等[1]介紹了金屬和合金高溫變形本構(gòu)模型的研究進展，包括高溫變形試驗方法和常用本構(gòu)模型，其中典型唯象型本構(gòu)模型包括Arrhenius型本構(gòu)模型、Jonnson-Cook模型等。1969年Sellars等[2]提出了雙曲正弦型本構(gòu)模型，用以描述金屬的熱變形行為。Tan等[3]采用應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius型本構(gòu)方程預(yù)測了Inconel718高溫合金的流動行為。Chen等[4]利用Johnson-Cook（J-C）模型及其修改形式和應(yīng)變補償?shù)碾p曲正弦模型預(yù)測了超臨界鋼的高溫流變行為。戴俊等[5]研究了TC21鈦合金的熱塑性變形行為，提出了TC21鈦合金的本構(gòu)方程。陳燦等[6]研究了TA32新型鈦合金的高溫流變行為及本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)采用正則化方法修正的Arrhenius模型精度高于最小二乘法得到的結(jié)果。許多研究人員[7-12]利用Gleeble熱模擬試驗機對不同牌號鈦合金進行了熱模擬壓縮試驗，獲得了相應(yīng)的高溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并建立了Arrhenius型本構(gòu)方程。馮瑞等[13]利用Gleeble-3500試驗機研究了BT25鈦合金的熱變形行為，并分別建立了α+β兩相區(qū)和β單相區(qū)的基于應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型，同時構(gòu)建了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)關(guān)系模型，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)模型具有更高的精度。Arrhenius本構(gòu)方程屬于唯象型本構(gòu)方程，其計算過程相對簡單，適合在不需要考慮材料物理基演變的情況下快速建立材料本構(gòu)模型以指導(dǎo)工藝設(shè)計與有限元仿真；同時Arrhenius方程本身適合描述材料的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力階段，可以根據(jù)情況進行應(yīng)變補償和進一步修正，提高本構(gòu)模型的預(yù)測精度。

針對新一代飛機用鈦合金高性能板材在不同溫度、應(yīng)變速率下的性能存在數(shù)據(jù)缺乏、塑性變形規(guī)律不明以及本構(gòu)模型準確性差等問題，文中利用Gleeble-3500熱模擬試驗機開展了TC1鈦合金板材在不同溫度、應(yīng)變速率下的高溫拉伸試驗，求解材料的模型參數(shù)，構(gòu)建熱加工圖，為豐富材料數(shù)據(jù)庫、提高預(yù)測精度、縮短研發(fā)周期、開展關(guān)鍵零件仿真優(yōu)化提供理論支撐與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗

1.1 材料與設(shè)備

使用材料為1 mm厚的TC1鈦合金板材。高溫力學(xué)性能測試儀器是美國DSI公司生產(chǎn)的Gleeble-3500熱模擬試驗機。

1.2 方法與過程

高溫單向拉伸試驗是測定材料高溫力學(xué)性能最常用的試驗方法之一。高溫單向拉伸試驗所得到的材料強度和塑性性能數(shù)據(jù)，對設(shè)計和選材、新材料的研制、材料的采購和驗收、產(chǎn)品的質(zhì)量控制、設(shè)備的安全和評估，都具有重要的應(yīng)用和參考價值。按照GB/T 228.2—2015《金屬材料拉伸試驗第2部分：高溫試驗方法》[14]的技術(shù)要求，將來料沿0°方向加工成圖1所示的形狀及尺寸進行試驗?；阝伜辖馃岢尚喂に囆枨?，TC1拉伸試驗的溫度為500～650 ℃，間隔為50 ℃。

在試驗開始前，首先清潔試件，將熱電偶焊接在試件標(biāo)距段上以便對溫度進行監(jiān)控，然后裝夾試件，將試驗環(huán)境抽真空，加熱到試驗溫度后保溫5 min，使試件溫度分布均勻，試件加熱之后會發(fā)生熱膨脹變形，此時需要調(diào)整夾具的位置以消除熱膨脹使試件在長度方向上發(fā)生的變形，然后按照設(shè)定的應(yīng)變速率（0.01、0.001、0.000 1 s?1）開始拉伸直至試件斷裂停止，熱電偶在試件斷裂時刻附近脫落，當(dāng)熱電偶脫落時數(shù)據(jù)采集終止，導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)。

圖1 高溫單拉試件尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 TC1鈦合金板材熱變形行為研究

TC1鈦合金高溫單拉流動應(yīng)力曲線如圖2所示?？梢?，在相同溫度下，流動應(yīng)力隨應(yīng)變速率的下降而下降，最大斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變速率的下降而增大。從金屬的物理角度來看，應(yīng)變速率增加，變形抗力增加，而且隨溫度升高這種影響更加顯著。在溫度為500 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s?1和0.001 s?1的條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較長的硬化階段，應(yīng)力達到峰值后很快下降，加工硬化占據(jù)主要地位。在500 ℃、0.000 1 s?1的變形條件下，試件發(fā)生屈服后應(yīng)力較快達到峰值，在較短時間內(nèi)保持不變，然后緩慢下降，出現(xiàn)了熱軟化的特征。在變形溫度為550、600、650 ℃時，試件在屈服后流動應(yīng)力很快達到峰值，進入明顯的平衡應(yīng)力階段。隨著應(yīng)變增大，相同溫度不同應(yīng)變速率條件下應(yīng)力差距比較規(guī)律，表明熱軟化占據(jù)主要地位，其中存在動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。

圖2 TC1鈦合金高溫單拉流動應(yīng)力曲線

TC1鈦合金高溫基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)如圖3所示?？梢钥闯?，TC1屈服強度和抗拉強度均隨著溫度升高和應(yīng)變速率降低而減小，存在熱軟化和應(yīng)變速率強化現(xiàn)象。結(jié)合圖2和圖3可以看出，500 ℃時流動應(yīng)力存在較為明顯的硬化階段，屈服過后發(fā)生一定應(yīng)變后才達到最大應(yīng)力，穩(wěn)態(tài)應(yīng)力階段較短。溫度上升后硬化階段變短，很快進入穩(wěn)態(tài)應(yīng)力階段甚至發(fā)生軟化，應(yīng)力下降。此外，TC1鈦合金的伸長率隨變形溫度的上升而升高。

圖3 TC1鈦合金高溫基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)

2.2 熱變形本構(gòu)方程

文中采用應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius雙曲正弦本構(gòu)方程描述鈦合金熱變形行為：

以應(yīng)變0.08為例，對材料常數(shù)進行計算。對低應(yīng)力水平和高應(yīng)力水平公式兩邊分別取自然對數(shù)：

當(dāng)溫度T一定時，和均呈線性關(guān)系，對其進行線性擬合，如圖4所示。

對4條擬合直線斜率的倒數(shù)取平均值，得到1和的值。根據(jù)公式=1，求出的值。

對所有應(yīng)力水平下的方程兩邊取對數(shù)，可得：

對式（3）在一定的溫度下求偏微分，可以得到熱激活能的計算式為：

計算得出TC1熱變形激活能=373.05 kJ/mol。

圖5 和線性關(guān)系

Zener-Hollomon參數(shù)（參數(shù)）[15]定義見式（5）：

對式（5）兩邊取自然對數(shù)，可得：

根據(jù)擬合直線的斜率和截距可以計算出和的值，從而得到雙曲正弦函數(shù)本構(gòu)方程：

根據(jù)參數(shù)定義式變形得到：

雙曲正弦函數(shù)式可變形為：

代入?yún)?shù)可得參數(shù)表示的本構(gòu)方程為：

表1 不同應(yīng)變下高溫本構(gòu)模型材料參數(shù)值

Tab.1 Material constants of high-temperature constitutive model under different strains

將各應(yīng)變下同一個參數(shù)按照五階多項式進行擬合，如圖7所示。

圖7 各參數(shù)應(yīng)變補償擬合

將應(yīng)變補償后的參數(shù)代入方程，可得雙曲正弦模型擬合的曲線如圖8所示?？梢钥闯?，隨著應(yīng)變的增大，計算曲線與試驗曲線總體吻合程度較高；應(yīng)變較小情況下，由于不同條件下曲線形態(tài)不同（硬化為主和軟化為主），導(dǎo)致計算得到的預(yù)測曲線精度較差。

圖8 TC1應(yīng)變補償雙曲正弦型本構(gòu)計算曲線

2.3 熱加工圖

利用熱加工圖指導(dǎo)熱變形工藝參數(shù)的選擇，采用動態(tài)材料模型（Dynamic Materials Model，DMM）理論[16]：熱變形過程中系統(tǒng)從外部環(huán)境吸收的總能量主要消耗在2個方面：① 材料塑性變形所耗散的能量（耗散量）；② 材料內(nèi)部微觀組織轉(zhuǎn)變所耗散的能量（耗散協(xié)量）。這一過程表達式為：

定義功率耗散系數(shù)見式（12）：

式中：為無量綱參數(shù)，反映材料由于微觀組織變化而消耗的能量與熱變形過程中消耗總能量的關(guān)系；為應(yīng)變速率敏感指數(shù)，計算式見式（13）：

DMM模型流變失穩(wěn)判據(jù)為：

圖9 TC1鈦合金在真實應(yīng)變ε=0.09時的熱加工圖

3 結(jié)論

1）TC1鈦合金在熱變形過程中的流動應(yīng)力隨溫度升高而降低，隨應(yīng)變速率減小而降低，且隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，流動行為由硬化為主轉(zhuǎn)變?yōu)闊彳浕癁橹鳌?/p>

2）TC1鈦合金的屈服強度和抗拉強度也隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的減小而降低，伸長率隨溫度升高而增大。

3）應(yīng)變補償?shù)碾p曲正弦本構(gòu)模型能夠有效描述TC1鈦合金板材在溫度為500～650 ℃和應(yīng)變速率為0.01～0.000 1 s?1條件下的熱塑性變形行為。

4）根據(jù)熱加工圖，TC1鈦合金在真實應(yīng)變=0.09條件下的熱加工工藝窗口為600～650 ℃、0.000 1～ 0.001 s?1，屬于高溫低應(yīng)變速率區(qū)域，加工失穩(wěn)區(qū)域主要集中在低溫高應(yīng)變速率區(qū)域。

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Hot Workability of TC1 Titanium Alloy Sheet

ZHU Li1, KONG Rong2, WU Wei-ping1, CHEN Xin-hua1, HE Xiao-jian1, MENG Bao2

(1. Research Institution of Technology, Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang 110850, China;2. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

The work aims to study the thermoplastic deformation behavior of TC1 titanium alloy sheet for new generation aircraft at different temperature and strain rates, and establish the hot deformation constitutive model and hot working map. The isothermal uniaxial tensile test of constant strain rate was carried out on the TC1 titanium alloy sheet by Gleeble-3500 thermal simulator at temperature of 500～650 ℃ and strain rate of 0.01～0.000 1 s?1. The strain compensated hyperbolic sinusoidal model was used to fit the hot deformation constitutive model, and draw the hot working map. The flow stress of TC1 titanium alloy sheet decreased with the decrease of strain rate at the same temperature, but the elongation increased and the maximum breaking strain increased. When the deformation temperature was 500 ℃, the work hardening was dominant. With the increase of temperature to 550, 600 and 650 ℃, the hardening stage became shorter, and the stress reached the peak value and then dropped quickly, resulting in softening. At this time, hot softening was dominant.The established strain compensated hyperbolic sinusoidal model can effectively describe the thermoplastic deformation behavior of TC1 titanium alloy sheet at different temperature and strain rates. According to the established hot working map of TC1 titanium alloy sheet, the hot working process window can be determined as 600～650 ℃ and 0.000 1～0.001 s–1, which provides scientific guidance for the hot working of TC1 titanium alloy sheet.

TC1 titanium alloy sheet; thermoplastic deformation; constitutive model; hot working map

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.019

TG304

A

1674-6457(2022)04-0154-08

2021-08-02

國家自然科學(xué)基金（51975031）

朱麗（1982—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向為航空鈑金制造。

孟寶（1985—），男，博士，副教授，主要研究方向為精密成形與微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨