徐文臣，陳 勇，王春曉，單德彬，郭 斌

(哈爾濱工業(yè)大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱 150001)

鈦合金以其密度低、比強度高、耐熱耐蝕等優(yōu)點在航空航天中得到日益廣泛的應用，其薄壁回轉體構件越來越多采用旋壓技術成形［1-4］.然而，由于鈦合金室溫強度高、塑性低，大多數(shù)鈦合金需熱旋成形，但鈦合金的導熱性極差，使得其熱旋成形難度較大.目前鈦合金的熱旋壓技術的研究多集中于如何提高成形的精度，而對熱旋過程的組織和性能控制研究缺乏有效理論指導，制約著鈦合金旋壓性能的提高［5-6］.相關旋壓變形規(guī)律的研究認為，旋壓變形主要是軸向伸長和徑向壓縮，切向變形較小，即旋壓變形可近似認為是平面變形［7-9］.因此，本文通過建立與熱旋變形相近的簡單的平面應變熱壓縮物理模擬模型，研究變形參數(shù)對鈦合金平面壓縮過程中的組織性能演變的影響規(guī)律，并以此為基礎采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對旋壓過程組織性能演變進行預測，為鈦合金熱旋過程的組織性能精確控制提供指導.

1 實驗

本試驗材料選用TA15鈦合金(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)熱鍛棒材，其相變點大約是995℃，再結晶開始溫度是800℃，結束溫度是950℃，棒材的化學成分見下表1.該合金的原始組織如圖1，由等軸狀的初生α相和轉變β相組成.

為模擬以軸向流動為主的旋壓變形，本文建立如圖2的平面應變壓縮模型來模擬旋壓變形.平面應變熱壓縮試驗在Instron5569電子萬能試驗機上進行TA15合金的.鈦合金熱壓縮溫度取值為650～800℃，變形速率采用0.01～1.0/s，壓縮變形程度為20～80%.采用線切割將試樣加工成5mm×5mm×10 mm的長方體.為減小模具和試樣之間的摩擦，在試樣表面涂抹高溫玻璃潤滑劑.為保證變形過程中溫度均勻，變形前將試樣保溫5～10s后再進行熱壓縮，保壓5s鐘再取出試樣.

表1 TA15合金棒材的化學成分

圖1 TA15合金的原始組織形貌

旋壓試驗采用的TA15鈦合金鍛棒機加而成，內(nèi)徑100 mm，厚8 mm.旋壓前芯軸預熱到400～500℃，坯料表面噴涂玻璃潤滑/保護劑，旋壓800℃.旋壓進給比為0.6～0.8 mm/r，旋壓實際變形量如表1所示.

圖2 平面應變壓縮模型

本文利用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件自動判斷測量目標，并對再結晶的體積分數(shù)、初生α相的尺寸等參數(shù)進行定量的表征.借助顯微硬度測試儀進行顯微硬度的測量，試驗力是500 g，加載時間10～15s，.為保證平行，在測量顯微硬度試驗前必須將其上下面磨平，這樣可以避免壓痕出現(xiàn)傾斜，引起測量的誤差.每個試樣上沿平行于壓縮的方向進行10個顯微硬度的測試，然后取其平均值作為最終的數(shù)據(jù).

表2 旋壓道次變形量分布 %

2 平面壓縮和旋壓過程組織演變的相似性分析

TA15鈦合金熱強旋和平面應變熱壓縮微觀組織的演變?nèi)鐖D3所示，其變形溫度在800℃左右，變形速率為1.0/s左右.從圖中可以看出，在減薄率為20%時，原始組織中部分晶粒開始沿軸向被拉長，但仍有一些晶粒并沒有發(fā)生變化，與相同條件下熱壓縮組織相似.當減薄率接近50%時旋壓組織與經(jīng)過50%變形量的平面熱壓縮組織均發(fā)生了較明顯的變化，原始的組織形態(tài)已經(jīng)很難觀察到，大部分晶粒都被沿著軸向拉長成為纖維狀.當總減薄率達到80%時旋壓組織的條狀纖維更加明顯，微觀組織細小均勻，而變形程度為80%時熱壓縮試驗得到的微觀組織也形成明顯細小的纖維狀組織，但是不如熱強旋組織均勻.然而總體來說，在相同的變形程度下熱壓縮試驗得到的微觀組織和熱強旋試驗得到的微觀組織是相似的.

3 平面應變熱壓縮過程微觀組織演變

圖4為不同變形條件下平面壓縮后微觀組織的演變情況.從圖中可以看出，在平面壓縮變形過程中，金屬主要軸向流動.隨著壓縮量的增加，顯微組織逐漸細化，并沿軸向出現(xiàn)纖維組織.隨著變形溫度的升高，微觀組織發(fā)生動態(tài)軟化，到800℃產(chǎn)生明顯的動態(tài)再結晶.隨著變形速率的增加，初生α相逐步減少，β轉變組織逐漸增多.

圖3 T=800℃和ε·=1/s時，不同的變形程度下熱強旋和熱壓縮試驗的微觀組織

圖4 不同變形條件下的平面熱壓縮組織

圖5～7為基于Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟對經(jīng)830℃，1 h退火后的平面壓縮組織進行定量分析，測得不同變形條件下的初生α相尺寸、再結晶分數(shù)和顯微硬度的變化情況.從圖5～6可以看出，隨著變形程度的增大、變形溫度的升高、變形速率的增加，初生α相尺寸逐步減小，再結晶分數(shù)逐漸增加.這是因為變形程度增加使得材料的畸變能較大，溫度越高則原子的擴撒和遷移加快，再結晶更容易發(fā)生，使得α相的尺寸減小，再結晶體積分數(shù)增加.而變形速率增大，變形的時間相應的較短，位錯密度較高，畸變能較大.此外，變形速率的增加使得變形過程中產(chǎn)生顯著的變形熱，由于鈦合金本身的導熱性很差使得變形熱難以迅速散失，導致材料內(nèi)部由于變形熱產(chǎn)生顯著溫升，從而導致再結晶比例增加，α→β轉變加快.

圖5 恒定變形速率下，變形溫度和壓縮量對初生α相尺寸的影響

圖6 恒定變形速率下，變形溫度和壓縮量對再結晶體積分數(shù)的影響

圖7 恒定變形速率下，變形溫度和壓縮量對顯微硬度的影響

由圖7可知，隨著變形程度的增大、變形溫度的降低、變形速率的增加，顯微硬度也呈增大趨勢.由于鈦合金在變形過程中產(chǎn)生加工硬化，變形程度越大，加工硬化效應越明顯，使得顯微組織的硬度升高.值得注意的是，當變形溫度為650℃和700℃、變形程度為20%時，在各個變形速率下顯微硬度的變化不大.這是因為變形程度較低并且變形溫度也相對較低，材料中塑性變形較小且不均勻，變形速率對鈦合金力學性能的影響較小，所以顯微硬度差別不大.當變形程度達到50%和80%時或者溫度達到750℃和800℃時，塑性變形比較充分，由于鈦合金是應變速率敏感材料，此時其顯微硬度隨著變形速率的增加而逐漸增大.

4 TA15鈦合金熱旋變形組織性能預測

本文采用MATLAB軟件，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法，以變形溫度、變形量和變形速率為輸入變量、以TA15鈦合金中初生α相晶粒尺寸、再結晶體積分數(shù)以及顯微硬度為輸出變量，建立了3×7×3的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡，來對旋壓過程的組織性能演變進行預測.本文以平面應變壓縮試驗數(shù)據(jù)為訓練樣本，對BP網(wǎng)絡進行訓練，并以7道次旋壓數(shù)據(jù)作為非樣本數(shù)據(jù)對該BP網(wǎng)絡進行測試，以分析基于平面應變壓縮模型預測旋壓過程組織性能預測的可行性.圖8為采用該BP網(wǎng)絡對各道次旋壓組織性能預測結果與實測值的比較曲線.由圖可知，BP網(wǎng)絡預測的初生α相尺寸、再結晶分數(shù)及硬度變化與實測值變化趨勢一致，其中對初生α相尺寸預測值和實測值之間的相對誤差大都在9%以內(nèi)，只有第4號樣本的誤差在14%左右;對再結晶分數(shù)的預測值和測試樣本值之間的最大相對誤差約12%之內(nèi);對顯微硬度的預測值和測試樣本值之間的相對誤差約在7%以內(nèi).結果表明本文所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的預測誤差較小(在15%以內(nèi))，說明采用平面熱壓縮試驗來預測鈦合金熱旋壓過程的組織性能演變具有較好的可行性.需要指出的是，隨著變形量的增大，采用該模型對旋壓過程的組織性能演變預測值和實測值得偏差有增大趨勢，這可能與旋壓過程中大減薄率為多道次累積實現(xiàn)的，比平面壓縮中的單次變形微觀組織變形更均勻有關，因此有必要繼續(xù)研究多道次變形對組織均勻性的影響規(guī)律.

圖8 測試樣本的實測值和預測值比較

5 結論

1)平面應變壓縮和旋壓變形的顯微組織演變是比較相似的，均發(fā)生軸向流動為主的變形，隨著變形程度的增大微觀組織逐漸拉長成為細小的纖維組織.稍有不同的是平面壓縮變形的微觀組織不如多道次強旋變形組織均勻.

2)在平面應變壓縮變形時，隨著變形程度的增大、變形溫度的升高、變形速率的增加，初生α相尺寸逐步減小，再結晶分數(shù)逐漸增加.隨著變形程度的增大、變形溫度的降低、變形速率的增加，顯微硬度也呈增大趨勢.由于鈦合金的應變速率敏感性材料，應變速率對顯微組織和硬度的影響在高溫和大變形量時表現(xiàn)更為顯著.

3)采用MATLAB軟件，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡，以變形溫度、變形量和變形速率為輸入變量、以TA15鈦合金中初生α相晶粒尺寸、再結晶體積分數(shù)以及顯微硬度為輸出變量，建立了3×7×3的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型，對旋壓過程的組織性能演變進行了預測.結果表明，本文所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的預測誤差在15%以內(nèi)，證明平面熱壓縮試驗來模擬和預測鈦合金熱旋壓過程的組織性能演變具有較好的可行性.但是，采用該模型對旋壓組織性能預測誤差有隨著減薄率增大而增大趨勢，這與旋壓多道次變形較平面壓縮的單道次變形更為均勻有關.

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