鈦合金楔橫軋工藝參數對微觀組織演變規律的影響探究★

徐 強，趙志龍，陳政澳，胡紀龍，陳敏哲，胡華攀

（寧波工程學院國際交流學院，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、節能、節材等優點[1-3]。自我國引進并研究楔橫軋工藝以來，已經有超過百種的軸類零件先后被開發出來，國內外學者對該技術的研究也非常廣泛。以北京科技大學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用推廣做了大量理論和實驗支撐[1]。寧波大學束學道團隊對楔橫軋的研究逐步細化，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對微觀組織演變規律的影響，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格動力學模型，可以用于描述時間、空間、狀態全離散的演化規則。自CA模型產生以來，由于其出色的復雜系統時空演化模擬能力，逐漸被廣泛應用于各個領域，例如生物學、生態學、材料學、社會學等等。本文通過構造動態再結晶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為應變速率修正常數；h為硬化率系數；r為動態回復軟化率系數；h0為硬化常數；ε˙為應變速率（s-1）；ε˙0為應變速率修正常數；m為材料敏感系數；Q為再結晶激活能，kJ/mol；r0為回復常數；N為元細胞數；B×C為B行×C列，即元胞總數；K為常數，取6 030；R為摩爾氣體常數，取8.314 J/（mol）·K；T為絕對溫度，K。

TC4鈦合金材料的L-J位錯密度模型根據相關文獻資料建立[11]，具體參數如式5和式6所示。本文應用Deform-3D軟件中的Microstructure功能模塊，進行楔橫軋過程的動態再結晶數值模擬，直觀地呈現β單相區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鈦合金材料參數如下頁表1所示。

表1 CA模型中TC4鈦合金材料參數表

2 軋制與金相實驗

本文研究的鈦合金為鍛態TC4鈦合金原料，其化學元素含量如表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鈦合金的化學元素含量 %

3 模擬與實驗結果分析

TC4鈦合金在β單相區的微觀組織晶界明顯，所以本文在β單相區探究工藝參數對晶粒尺寸的影響。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

通過圖3、圖4的模擬和實驗對比分析，可以發現在β單相區內，隨著溫度的升高，動態再結晶能量增加，促進了晶粒增大；通過圖5、圖6的模擬和實驗對比分析，可以發現在β單相區內，隨著軋制速度的增大，軋件受到模具擠壓的時間越短，動態再結晶越不充分，晶粒尺寸也就越??；通過圖7、圖8的模擬和實驗對比分析，可以發現在β單相區內，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，動態再結晶畸變能增加，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 結論

通過對比CA模型下Deform-3D有限元模擬結果和軋件金相實驗結果，揭示了TC4鈦合金楔橫軋工藝參數與軋件成形過程中的微觀組織演變規律。在β單相區內，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。