基于響應(yīng)面分析的TC21合金等通道擠壓過程工藝優(yōu)化

滕樹滿，尹 慧，翟瑞志

(1.廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西 柳州545002；2.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川 德陽 618000)

金屬材料的晶粒尺寸對材料的性能產(chǎn)生顯著影響，高效、均勻的細(xì)化晶粒工藝一直是材料學(xué)界的研究重點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)細(xì)晶工藝的關(guān)鍵是將金屬粉體致密化，其基本理論是將材料的微觀組織細(xì)化為幾個(gè)單位后，按一定的規(guī)則進(jìn)行混合與組裝，以生產(chǎn)出細(xì)晶材料。通過這種加工工藝獲得的材料具有超高的表面清潔度，純度高，應(yīng)用廣泛，但由于加工成本過高，這種工藝并未得到大規(guī)模推廣。上世紀(jì)90年代以來，等通道擠壓工藝的提出為生產(chǎn)細(xì)晶與超細(xì)晶材料提供了全新的研究方向，其原理如圖1所示[2]。相較于其它工藝，等通道擠壓在加工時(shí)金屬材料的截面尺寸，能對同一材料施加多道次累積應(yīng)變，從而達(dá)到理想的晶粒細(xì)化效果，并獲得均勻的微觀組織，加工成本低、效率高。

圖1 等通道擠壓原理圖Fig.1 Schematic diagram of equal channel extrusion

TC21合金是我國自行研制的損傷容限型鈦合金，由于具有比強(qiáng)度高、耐蝕性良好等優(yōu)勢，該合金被廣泛應(yīng)用于航空關(guān)鍵零部件的制造[3]。若能利用等通道擠壓工藝對TC21鈦合金進(jìn)行加工，細(xì)化晶粒、提升原材料的基礎(chǔ)力學(xué)性能將為航空構(gòu)件服役壽命的提升帶來積極影響[4]。本文基于有限元分析軟件DEFORM-3D考察了擠壓溫度、擠壓速度、模具預(yù)熱溫度及潤滑條件等工藝分別對TC21合金單道次等通道擠壓工藝成形的影響，并基于Box-Benhnken響應(yīng)面分析模型將四因素的影響作用進(jìn)行綜合，獲得了最佳成形工藝參數(shù)值，為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

本文利用法國達(dá)索公司的 CATIA 軟件建立壓頭、模具及坯料的三維模型。坯料的截面尺寸為10mm×10mm，高度40mm；通道的截面亦為10mm×10mm，轉(zhuǎn)角為90°。為簡化計(jì)算，在模型建立時(shí)省略了沖頭及模具的連接部位，只考慮了其工作部位。模型建立后輸出為STL格式導(dǎo)入DEFORM-3d軟件進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。為了兼顧計(jì)算精度與效率，將坯料設(shè)置為塑性體后劃分5萬網(wǎng)格，將沖頭與模具設(shè)置為剛體。坯料TC21鈦合金在成形時(shí)的材料數(shù)據(jù)由Jmatpro軟件計(jì)算所得，其成形溫度范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，而沖頭及模具選擇軟件材料庫中的“AISI-H-13”。利用軟件Deform-3D對TC21鈦合金的等通道擠壓過程進(jìn)行熱力耦合的數(shù)值模擬，并基于單因素模擬建立Box-Benhnken響應(yīng)面分析模型。有限元模擬中的擠壓溫度、擠壓速度、模具預(yù)熱溫度及摩擦因子等工藝參數(shù)的具體取值見表1。

圖2 有限元模擬模型 圖3 TC21合金應(yīng)變-應(yīng)力曲線Fig.2 Finite element simulation model Fig.3 Strain-stress curve of TC21 alloy

表1 有限元模擬參數(shù)設(shè)置

2 模擬結(jié)果分析

2.1 擠壓溫度對擠壓過程的影響

圖4為TC21鈦合金最大等效應(yīng)變值與應(yīng)變量方差隨擠壓溫度的變化規(guī)律。

圖4 最大等效應(yīng)變值與擠壓溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum equivalent strain value and extrusion temperature

從圖4可知隨著擠壓溫度的升高，最大等效應(yīng)變呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，升高溫度降低了金屬的流動(dòng)阻力，在相同的擠壓力下更易發(fā)生變形，使晶粒破碎細(xì)化；同時(shí)，適當(dāng)?shù)奶嵘龜D壓溫度可使鈦合金的位錯(cuò)活性增加，更有利于發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。但是若持續(xù)上升擠壓溫度，將提高晶粒長大的速率，使大角度晶界不易形成，晶粒反而會(huì)產(chǎn)生一定程度的粗化。根據(jù)圖4的結(jié)果，初選鈦合金最佳擠壓溫度為950℃。

2.2 擠壓速度對擠壓過程的影響

將擠壓速度與最大等效應(yīng)變的關(guān)系繪制為圖5。當(dāng)擠壓速度為3mm/s時(shí)，鈦合金坯料的最大等效應(yīng)變出現(xiàn)極值。在較小的速度下擠壓，坯料受到的載荷較小，變形相對較小，晶粒細(xì)化作用不明顯。適當(dāng)增大擠壓速度，增大壓下力，可以促進(jìn)坯料的變形，從而細(xì)化晶粒。

此時(shí)，坯料變形量的增加使更多的變形能轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蟽?nèi)能，提升芯部區(qū)域溫度從而提高材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生率使晶粒得到細(xì)化。但擠壓速度的持續(xù)上升將釋放過多的內(nèi)能，坯料變形時(shí)停留在高溫區(qū)的時(shí)間更長，易引發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶生成晶粒的二次長大，弱化細(xì)晶效果。此外，過大的擠壓速度將降低變形過程內(nèi)外組織的均勻性，綜合考慮上述因素后，初選鈦合金的最佳擠壓速度為3mm/s。

圖5 最大等效應(yīng)變值與擠壓速度的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum equivalent strainand pressing speed

2.3 潤滑條件對擠壓過程的影響

潤滑狀況對TC21鈦合金的等通道擠壓過程產(chǎn)生顯著影響。逐步增大下模與鈦合金坯料間的摩擦，外側(cè)坯料由于摩擦阻力作用流動(dòng)阻力提升，而中心金屬在壓頭的作用下流動(dòng)速率幾乎不變，導(dǎo)致內(nèi)外金屬的變形差異增大，增大了坯料的最大變形量。而摩擦作用將在外表面產(chǎn)生較多熱量，減小外部與芯部的溫度差異，降低鈦合金內(nèi)外流動(dòng)差異從而降低最大等效應(yīng)變值。此外，摩擦生熱促進(jìn)外部晶粒的二次長大，降低內(nèi)外組織均勻性。進(jìn)行單因素變量模擬時(shí)，摩擦系數(shù)為0.3時(shí)有最優(yōu)的成形效果，在實(shí)際加工時(shí)也應(yīng)選擇合適的潤滑劑提升制造質(zhì)量。最大等效應(yīng)變值與摩擦系數(shù)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 最大等效應(yīng)變值與摩擦系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum equivalentstrain and friction coefficient

2.4 模具溫度對擠壓過程的影響

模具預(yù)熱溫度對擠壓過程的影響規(guī)律與潤滑條件相似，均通過改變坯料內(nèi)外溫度梯度實(shí)現(xiàn)對擠壓過程的調(diào)控?？紤]H13鋼的服役特性，本文分別將模具加熱至250℃、300℃、350℃、400℃后進(jìn)行擠壓。如圖7所示，在250℃～350℃區(qū)間，最大等效應(yīng)變呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在300℃時(shí)最大等效應(yīng)變達(dá)到第一個(gè)高峰是由于內(nèi)外坯料溫差產(chǎn)生了流動(dòng)性能差異，最終導(dǎo)致內(nèi)外坯料的變形差異。繼續(xù)升高模具溫度，內(nèi)外的溫度差減小，鈦合金坯料在變形時(shí)的平均溫度提升，提升了材料整體的流動(dòng)性能最終使鈦合金坯料的最大等效應(yīng)變量增大。根據(jù)以上兩點(diǎn)，綜合考慮升高模具溫度將降低模具使用壽命等因素，最終初選模具的預(yù)熱溫度為300℃。

圖7 最大等效應(yīng)變值與模具溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between maximum equivalentstrain and die temperature

2.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為了綜合考慮上述工藝因素對TC21鈦合金等通道擠壓過程的影響規(guī)律，本小節(jié)基于單因素有限元分析結(jié)果設(shè)計(jì)了響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以TC21鈦合金坯料的最大等效應(yīng)變值為響應(yīng)值(Y)，選擇擠壓溫度(X1)、擠壓速度(X2)、摩擦系數(shù)(X3)、模具溫度(X4)四個(gè)因素，設(shè)計(jì)了四因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素及水平見表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平

根據(jù)所選取的的四個(gè)因素，借助Design-Expert軟件，采用Box-Behnken方法設(shè)計(jì)了表3所示的29組對照試驗(yàn)，并基于模擬結(jié)果繪制了如圖8所示的響應(yīng)面。

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

Design-Expert軟件可以自動(dòng)繪制響應(yīng)面并分析。根據(jù)響應(yīng)面分析的結(jié)果可知，四個(gè)工藝因素對TC21鈦合金等通道擠壓過程影響的重要程度依次為：摩擦系數(shù)>擠壓速度>擠壓溫度>模具預(yù)熱溫度。通過對響應(yīng)面回歸方程的求解，對TC21鈦合金坯料進(jìn)行單道次等通道擠壓過程的加工，坯料的最大等效應(yīng)變值可達(dá)1.6，此時(shí)的工藝條件為：擠壓溫度973.956℃、擠壓速度1.01884mm/s、摩擦系數(shù)0.499032、模具溫度322.325℃。結(jié)合實(shí)際工況，選擇最佳擠壓溫度為974℃、擠壓速度1mm/s、摩擦系數(shù)0.5、模具溫度320℃進(jìn)行模擬驗(yàn)證。此時(shí)鈦合金坯料的最大等效應(yīng)變值為1.54，與響應(yīng)面預(yù)測值的誤差僅3.75%，說明該響應(yīng)面優(yōu)化模型與實(shí)際擬合良好，結(jié)果可靠。

圖8 不同工藝因素交互作用對TC21鈦合金等通道擠壓最大等效應(yīng)變值的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface diagram of maximum equivalent strain of TC21 titanium alloy during equal channel extrusion under interaction of different process factors

3 結(jié)論

本研究基于有限元模擬技術(shù)及響應(yīng)面分析方法對TC21鈦合金等通道擠壓過程進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。文章首先基于單因素模擬優(yōu)化的結(jié)果，采用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)四因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn)，以單道次TC21合金擠壓后的最大等效應(yīng)變?yōu)轫憫?yīng)值，優(yōu)化了合金擠壓工藝參數(shù)設(shè)置條件，擠壓溫度974℃、擠壓速度1mm/s、摩擦系數(shù)0.5、模具溫度320℃。根據(jù)此工藝參數(shù)進(jìn)行加工，獲得的最大等效應(yīng)變量為1.54，與響應(yīng)面回歸方程預(yù)測的最大值誤差為3.75%，優(yōu)化模型與實(shí)際擬合良好，可用于指導(dǎo)后續(xù)的加工生產(chǎn)。