鈦合金楔橫軋工藝參數(shù)對微觀組織演變規(guī)律的影響探究★

徐 強，趙志龍，陳政澳，胡紀(jì)龍，陳敏哲，胡華攀

（寧波工程學(xué)院國際交流學(xué)院，浙江 寧波 315211）

引言

楔橫軋是成形軸類件的先進工藝，具有高效、節(jié)能、節(jié)材等優(yōu)點[1-3]。自我國引進并研究楔橫軋工藝以來，已經(jīng)有超過百種的軸類零件先后被開發(fā)出來，國內(nèi)外學(xué)者對該技術(shù)的研究也非常廣泛。以北京科技大學(xué)胡正寰院士為首的團隊是我國最早一批開展此工藝研究的，其團隊的研究成果為楔橫軋的應(yīng)用推廣做了大量理論和實驗支撐[1]。寧波大學(xué)束學(xué)道團隊對楔橫軋的研究逐步細(xì)化，在空心軸、非對稱軸、無料頭、多楔軋制等多方面進行了深入研究[4-7]。國外，波蘭學(xué)者Z.Pater的研究團隊在三輥楔橫軋，板式楔橫軋等方面進行了深入研究[8]。但是楔橫軋技術(shù)加工成形難加工的鈦合金的研究還處于起步階段，尤其是微觀層面的研究。本文基于CA法（Cellular Automata，元胞自動機），通過Deform-3D模擬分析、軋制實驗和金相分析，探究TC4鈦合金軸類件楔橫軋成形過程中工藝參數(shù)對微觀組織演變規(guī)律的影響，進一步豐富楔橫軋成形理論。

1 CA模型建立

CA模型作為一種常用的網(wǎng)格動力學(xué)模型，可以用于描述時間、空間、狀態(tài)全離散的演化規(guī)則。自CA模型產(chǎn)生以來，由于其出色的復(fù)雜系統(tǒng)時空演化模擬能力，逐漸被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、材料學(xué)、社會學(xué)等等。本文通過構(gòu)造動態(tài)再結(jié)晶CA模型，在Deform-3D有限元軟件中模擬TC4鈦合金在楔橫軋成形過程中晶粒的生長變化，進而分析其微觀組織演變規(guī)律[9]。

DEFORM-3D有限元軟件中，采用由Laasraoui A和Jonas提出的L-J模型來表示晶粒位錯密度變化關(guān)系，該模型考慮了晶界遷移對位錯密度的影響[10]，具體模型為：

式中：ρ為位錯密度，cm-2；ε為應(yīng)變速率修正常數(shù)；h為硬化率系數(shù)；r為動態(tài)回復(fù)軟化率系數(shù)；h0為硬化常數(shù)；ε˙為應(yīng)變速率（s-1）；ε˙0為應(yīng)變速率修正常數(shù)；m為材料敏感系數(shù)；Q為再結(jié)晶激活能，kJ/mol；r0為回復(fù)常數(shù)；N為元細(xì)胞數(shù)；B×C為B行×C列，即元胞總數(shù)；K為常數(shù)，取6 030；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314 J/（mol）·K；T為絕對溫度，K。

TC4鈦合金材料的L-J位錯密度模型根據(jù)相關(guān)文獻資料建立[11]，具體參數(shù)如式5和式6所示。本文應(yīng)用Deform-3D軟件中的Microstructure功能模塊，進行楔橫軋過程的動態(tài)再結(jié)晶數(shù)值模擬，直觀地呈現(xiàn)β單相區(qū)微觀組織演變過程中晶粒尺寸大小的變化。CA模型中涉及到的TC4鈦合金材料參數(shù)如下頁表1所示。

表1 CA模型中TC4鈦合金材料參數(shù)表

2 軋制與金相實驗

本文研究的鈦合金為鍛態(tài)TC4鈦合金原料，其化學(xué)元素含量如表2所示。采用線切割工藝將原始坯料加工成圓棒，然后在軋機上進行軋制成形實驗，軋制設(shè)備如圖1所示。軋制成形后的軸件通過線切割切出5 mm×5 mm×5 mm的小立方塊，然后采用氫氟酸、硝酸和水的混合溶液（HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶7）腐蝕，最后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察記錄，金相實驗流程如圖2所示。

表2 TC4鈦合金的化學(xué)元素含量 %

3 模擬與實驗結(jié)果分析

TC4鈦合金在β單相區(qū)的微觀組織晶界明顯，所以本文在β單相區(qū)探究工藝參數(shù)對晶粒尺寸的影響。具體模擬和實驗的工序安排如表3所示。

表3 軋制工藝參數(shù)

通過圖3、圖4的模擬和實驗對比分析，可以發(fā)現(xiàn)在β單相區(qū)內(nèi)，隨著溫度的升高，動態(tài)再結(jié)晶能量增加，促進了晶粒增大；通過圖5、圖6的模擬和實驗對比分析，可以發(fā)現(xiàn)在β單相區(qū)內(nèi)，隨著軋制速度的增大，軋件受到模具擠壓的時間越短，動態(tài)再結(jié)晶越不充分，晶粒尺寸也就越小；通過圖7、圖8的模擬和實驗對比分析，可以發(fā)現(xiàn)在β單相區(qū)內(nèi)，隨著軋制斷面收縮率的增大，軋件受到模具的徑向壓力就越大，動態(tài)再結(jié)晶畸變能增加，晶粒破碎和晶界處新的晶粒形核生長都更容易，所以晶粒尺寸也就顯著減小。

4 結(jié)論

通過對比CA模型下Deform-3D有限元模擬結(jié)果和軋件金相實驗結(jié)果，揭示了TC4鈦合金楔橫軋工藝參數(shù)與軋件成形過程中的微觀組織演變規(guī)律。在β單相區(qū)內(nèi)，晶粒尺寸隨著軋制溫度的升高而增加，隨著軋制速度和斷面收縮率的增大而減小。