TC18 鈦合金表面換熱系數研究及測定

文／孟斌·國機重型裝備集團股份有限公司

張海成，羅恒軍·中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司

TC18 鈦合金(名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)是俄羅斯于20 世紀60 年代開發的一種高強近β 鈦合金，因其具備比強度高、塑性優良、工作溫度范圍寬、抗疲勞性和熱處理淬透性好等優點，因而廣泛應用于機身主承力梁、隔框、機翼部件以及起落架的扭力臂等飛機關鍵承力結構部件。這些關鍵部件大多采用熱模鍛成形后加工而成。

在TC18 鈦合金鍛件生產過程中，為進一步滿足高質量、可靠性的產品需求，通常會在坯料上增加一些保護措施(潤滑劑、保溫棉等)。相應地，這些措施的使用又會對坯料質量造成一定的影響。例如，在鍛造加熱過程中，加熱時間太短會使得坯料熱不透，最終會影響鍛件質量、增加成形難度；加熱時間過長又會使得晶粒粗大，進而惡化性能，同時也會降低生產效率、增加能源損耗。另外，坯料從加熱爐轉移到模具是一個空冷降溫的過程，該過程坯料的溫降情況對始鍛溫度影響大，而始鍛溫度的高低直接會影響產品最終質量的好壞。

目前，國內外對TC18 鈦合金的組織形貌、性能表征以及工藝參數方面研究較為廣泛，而對實際工況下TC18 熱力學參數測定方面的研究較少。因此，本文精確測定了不同工況條件下TC18 鈦合金在升溫和降溫過程中溫度變化情況，并利用實測數據及有限元分析軟件DEFORM-3D 自帶的反傳熱模塊(Inverse Heat Transfer)獲得了空氣換熱系數，旨在為TC18 鈦合金熱模鍛成形高精度有限元模型的構建提供參考依據，并為TC18 鈦合金鍛件的實際生產提供數據支撐和相關建議。

實驗材料及方法

實驗材料

TC18 鈦合金表面換熱系數實驗的試樣制備情況如圖1 所示。具體如下：

圖1 待測定表面換熱系數的試樣制備

⑴試樣：待測定表面換熱系數的試樣機械加工成如圖1(a)所示的圓柱形，尺寸為φ60mm×50mm；在試樣中心加工一個尺寸為φ3mm×3mm 的盲孔用于插入熱電偶測溫。

⑵潤滑劑：試樣表面提前用粗砂紙進行打磨，一方面是為了增加潤滑劑涂覆效果，另一方面是為了更加接近產品的實際工況。選取兩種企業常用的鈦合金玻璃潤滑劑(Ti-A、Ti-B)，涂覆后的試樣如圖1(b)所示。

⑶保溫棉：選取企業中常用的保溫棉，將圓柱試樣包裹好后用鐵絲進行加固，以防在實驗過程中脫落進而影響實驗效果。保溫棉包裹后的試樣如圖1(c)所示。

實驗過程

將箱式電阻爐加熱到895℃，隨后將樣品放入(如圖2(a)所示)，保溫30min 后將試樣取出空冷(如圖2(b)所示)。整個升溫和降溫過程中利用熱電偶測定試樣中心點溫度隨時間的變化并進行記錄。基于實測的溫度變化數據，可借助DEFORM-3D 有限元分析軟件的反傳熱模塊，求解不同工況下試樣的表面換熱系數。

圖2 相關實驗過程照片

計算說明

待實驗數據采集完成后，利用DEFORM-3D 反傳熱模塊通過線性插值求解獲得以溫度為變量的換熱系數。對于處理該類非線性數值問題，為了進一步提高換熱系數的計算效率，算法優化控制可采用DEFORM-3D 反傳熱模塊迭代算法BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)。當試樣處于隨爐升溫階段時，導入實測爐內升溫曲線，試樣的初始溫度設定為20℃。隨后在軟件中輸入測溫點位置，將實測溫度數據導入反傳熱模型中。溫度控制點范圍為20 ～900℃，間隔50 ～100℃進行選取。該過程中的表面換熱系數邊界值定義為0.00001 ～0.5N/(s·mm·℃)，表面換熱系數預測值可設定為0.02N/(s·mm·℃)。由于試樣在加熱過程中的溫度變化較為劇烈，為了計算效率的提高，求解模型可設置較大的時間步長(0.001 ～10s)，且每個時間步長允許的最大溫度變化設定為1℃。

模擬結果分析

將反算優化后的求解結果(表面換熱系數-溫度變化曲線)導入數值模型中進行正向求解計算，同時輸出試樣中心點模擬溫度曲線與實驗曲線進行對比，結果如圖3(a)所示，圖中綠色線為模擬溫度曲線，紅色線為實測溫度曲線。可以看出，反算優化后的表面換熱系數模擬結果與實測數據的匹配度較好，證明了本方法的可行性，且預測的精度也是可接受的。最終所獲得的TC18 鈦合金在隨爐升溫階段的表面換熱系數如圖3(b)所示，在0.10 ～0.25N/(s·mm·℃)范圍內變化。

圖3 升溫曲線及其表面換熱系數

試樣空冷階段初始溫度設為895℃，環境溫度設為20℃。將實測空冷溫度曲線及測溫點位置輸入反傳熱模型中。每隔50 ～100℃定義確定模擬點，并將空冷過程中的表面換熱系數邊界值設為0.00001 ～1N/(s·mm·℃)，表面換熱系數預測值設為0.02 N/(s·mm·℃)。模型求解時為了進一步提高計算效率，變時間步長設置在0.001 ～10s，且每個時間步長所允許的最大溫度變化量為1℃。最終模擬結果如圖4 所示，其空冷表面換熱系數要比升溫時低，在0.002 ～0.10 N/(s·mm·℃)范圍內變化。

圖4 降溫曲線及其表面換熱系數

再以同樣的方法，在20 ～900℃溫度范圍之間，對不同工況條件下(包括無保護介質、涂覆Ti-A、涂覆Ti-B、包裹保溫棉、保溫棉+Ti-B)的TC18 鈦合金試樣的表面換熱系數(升溫和降溫過程)進行測定，最終得到的結果如圖5 所示。

圖5 不同保護介質下的表面換熱系數

結論

結果表明，相較于無保護介質，保溫棉的保溫效果最好，而涂覆Ti-A 與Ti-B 涂料后的保溫效果次之；在隨爐升溫過程中，表面涂覆玻璃潤滑劑(Ti-A、Ti-B)的TC18 鈦合金試樣的換熱系數呈現出先快速增大再快速減小最后逐漸趨于平穩的規律。具體如下：

⑴無任何保護介質的TC18 鈦合金試樣在隨爐升溫過程中，其表面換熱系數在0.10 ～0.25N/(s·mm·℃)的范圍內變化。

⑵無任何保護介質的TC18 鈦合金試樣在空冷過程中，其表面換熱系數要比升溫過程的值低且波動較大，具體在0.02 ～0.10 N/(s·mm·℃)范圍內變化。

⑶無論是隨爐升溫還是空冷降溫，TC18 鈦合金試樣在加入保溫棉后其換熱系數均小于其他保溫條件下的換熱系數，且保溫棉的保溫效果最好。

⑷在隨爐升溫過程中，表面涂覆玻璃潤滑劑(Ti-A、Ti-B)的TC18 鈦合金試樣的換熱系數均會在100℃左右出現拐點；當繼續升溫到300℃以后時，其換熱系數會趨于穩定。

⑸在空冷降溫過程中，相較于無保護介質，表面涂覆玻璃潤滑劑(Ti-A、Ti-B)會起到一定的保溫效果，且保溫效果Ti-A 略好于Ti-B。