TA15鈦合金厚板熱軋變形有限元模擬研究

安 震，孫澤輝，劉 兵，齊 銘，丁 旭

(西安航空學院 材料工程學院，西安 710077)

0 引言

TA15鈦合金具有比強度高、焊接性良好等優點，廣泛用于航空航天領域。研究表明，合適的形變工藝可以細化TA15鈦合金晶粒，提高其綜合性能，因此需要掌握TA15鈦合金的變形規律。在實際生產中，利用生產線確定TA15鈦合金厚薄板的變形規律研究成本高，周期長，而采用模擬技術可以有效的降低研究成本，縮短開發周期。雒亞濤等就利用鈑金成形模擬軟件對鈦合金弧形零件的沖壓成形回彈進行了模擬，提高了鈑金成形質量和生產效率。

很多研究人員將熱力模擬和數值模擬相結合，通過建立本構方程，研究鈦合金的變形規律。研究表明，只有在大量實驗數據的基礎上，建立比較準確的屈服強度和熱物性參數之間的函數關系，才能得到有價值的模擬計算結果。

為了解TA15鈦合金變形規律，獲得高品質的TA15鈦合金板材，本文利用TA15合金的熱變形實驗所得的數據，建立相應的本構方程，并利用有限元軟件進行數值模擬，分析該合金在多道次熱軋過程中的應力應變場、溫度場等信息，通過正交實驗分析了工藝參數對熱軋過程的影響規律，為TA15鈦合金厚板件熱軋成形提供參考。

1 TA15鈦合金本構方程

TA15鈦合金化學成分如表1所示。

表1 TA15鈦合金化學成分

TA15鈦合金熱壓縮試樣尺寸為?10 mm×15 mm，其真應力應變曲線通過熱模擬實驗機進行高溫壓縮獲得。變形溫度選定為750 ℃，800 ℃，850 ℃，900 ℃，950 ℃和980 ℃。試樣加熱方法為電頻感應加熱，加熱速度為10 ℃/s，加熱至變形溫度，試樣保溫3 min后以恒定的壓縮速率開始熱壓縮實驗，壓縮應變速率為0.001 s、0.01 s、0.1 s、1 s。

不同應變率下的真應力應變曲線如圖1所示。

圖1 真應力-應變曲線

根據壓縮所得實驗結果，利用Arrhenius模型，并結合應變率系數來計算應變補償，可以得到TA15鈦合金的高溫流變應力本構方程為

(1)

式中：為相應應變下的流變應力；為應變率系數。

可表示為

(2)

式中：為應變速率；為熱變形激活能；R為普適氣體常數；為絕對溫度。根據式(2)可知，TA15鈦合金的熱變形激活能為523.374 kJ/mol。

表2是不同應變對應的參數值，將相應的參數帶入本構方程，可以得到不同溫度，不同應變時的流動應力計算值。表2中、、都是擬合參數。

表2 不同應變對應的參數值

圖2是實驗值與計算值的對比圖，可以發現計算值和實驗值之間的差異很小，誤差在10%以內。當應變速率為0.01 s時，預測值和實驗值之間的差異最小，當應變速率為1 s時，預測值和實驗值的差異最大。

圖2 實驗值與計算值對比圖

2 軋制工藝模擬

在獲得TA15鈦合金本構方程的基礎上，利用有限元軟件模擬20 mm的TA15鈦合金厚板通過軋制減薄至10 mm的工藝過程。變形模擬結果的有效性采用壓下系數，寬展系數和延伸系數等變形系數進行驗證。為了接近實際生產過程，模擬選擇三道次軋制，壓下量依次為3 mm、3 mm和4 mm。

變形系數計算公式為

(3)

式中：為軋制前TA15鈦合金的厚度；為軋制后TA15鈦合金的厚度。

(4)

式中：為軋制前TA15鈦合金的寬度；為軋制后TA15鈦合金的寬度。

(5)

式中：為軋制前TA15鈦合金的長度；為軋制后TA15鈦合金的長度。

軋輥的長度為

=-

(6)

式中：為鈦合金板件寬度；為與鈦合金板材長度及寬度有關參數，可取=40 mm。

軋輥的長度與直徑的關系為

=(12～15)

(7)

軋輥的直徑還應滿足

(8)

式中：Δ為第一道次壓下量；=15°。

具體的軋輥尺寸見表3。

表3 軋制模型基本參數

2.1 軋制參數的確定

以軋輥轉速、預熱溫度和摩擦系數作為研究對象，設計33正交實驗。軋輥轉速分別設置為3 rad/s、3.6 rad/s、4.2 rad/s；預熱溫度分別設置為850 ℃、950 ℃、980 ℃；摩擦系數分別設置為0.3、0.4、0.5。表4為實驗參數設計正交實驗表。表中是最大拉應力，是最大壓應力。

表4 正交實驗表

表5和表6分別為應力最大值和最小值的極差分析結果。根據結果可知，摩擦系數對于本次軋制模擬的影響最大，其次是預熱溫度，最后才是軋輥轉速。最優的軋制工藝確定為：軋輥轉速3.6 rad/s，預熱溫度950 ℃，摩擦系數0.3。

表5 σ1最大值的極差分析

表6 σ3最小值的極差分析表

2.2 軋制模擬結果的驗證

在軋制前的TA15鈦合金模型左端角選取兩個點，選點位置如圖3中標注點所示，通過定點追蹤確定每一道次TA15鈦合金在軋制后的厚度變化。

圖3 軋制后的厚度變化參考點

圖4是TA15鈦合金是模擬結果與實驗值的對比。第一道次軋制后，TA15鈦合金厚度變為17.235 mm，與原設置相差 -0.235 mm，誤差值±0.5 mm，壓下率為13.825%。第二道次軋制后，TA15鈦合金厚度為14.147 mm，與原設置相差-0.147 mm，誤差值±0.5 mm，壓下率為13.139%。第三道次軋制后，TA15鈦合金厚度變為9.974 mm，與原設置相差0.026 mm，誤差值±0.5 mm，壓下率為29.574%。總壓下量為10.026 mm。計算可得相對壓下量為50.13%，為2.005。

圖4 不同道次軋制后厚度理論值與測量值對比

TA15鈦合金厚板在不同道次軋制后長度以及寬度方向上的尺寸變化追蹤點如圖5中標注點所示。

圖5 不同道次后長度及寬度方向尺寸變化參考點

圖6是TA15鈦合金厚板在不同道次軋制后長度和及寬度方向上的尺寸變化。根據定點追蹤方法測得未軋制前TA15鈦合金板材長為200 mm，而軋制后測得長度方向尺寸變為了363.636 mm，相對延伸率為81.8%，為1.818。未軋制前TA15鈦合金板材寬為100 mm，而軋制后測得寬度方向尺寸變為了110.287 mm，相對寬展量為10.3%，為1.103。由公式(6)計算可得壓下系數約為2.005。

=

圖6 不同道次軋制后長度和寬度方向上的尺寸變化

根據體積不變原理，以及變形系數的關系可見本次仿真模擬所建立的模型輸出的數據和所得到的計算結果是準確的，建立的模型在軋制過程中也沒有出現寬展過大，咬入困難等問題。

3 結論

(1)根據TA15鈦合金的真應力-真應變曲線，計算得到了Z參數的應變補償后的TA15鈦合金的Arrehenius本構方程。通過模擬計算值與實驗值的對比，驗證了方程的穩定性和有效性。

(2)通過正交試驗確定了軋制試驗的最佳工藝參數為：預熱溫度設為950 ℃，軋輥轉速設為3.6 rad/s，摩擦系數設為0.3。其中對TA15鈦合金厚板軋制變形質量影響最大的是摩擦系數。

(3)使用定點追蹤方法計算出TA15鈦合金在不同道次加工后個方向上的尺寸變化。壓下系數為2.005，延展系數為1.818，寬展系數為1.103，三個系數滿足變形系數關系公式。所以，本次仿真模擬所建立的模型輸出的數據和所得到的計算結果是準確的。