魏慧慧，余心宏

(西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

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TC4鈦合金型材熱擠壓過程坯料溫度演變規(guī)律研究

魏慧慧，余心宏

(西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

采用數(shù)值模擬方法對TC4鈦合金H形截面型材熱擠壓過程進(jìn)行熱力耦合分析，獲得了坯料溫度的分布情況及不同工藝參數(shù)對坯料溫度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：坯料溫度進(jìn)入穩(wěn)定擠壓階段顯著升高，產(chǎn)熱與散熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；過渡圓角處坯料的溫度明顯高于坯料的其他部位；坯料的溫升隨擠壓速度、摩擦因子、擠壓比以及模具預(yù)熱溫度的增大而增大，但隨坯料預(yù)熱溫度的增大而減??；而坯料的溫降呈相反變化規(guī)律；最終獲得優(yōu)選擠壓工藝方案。

鈦合金；擠壓；型材；數(shù)值模擬

0 前言

TC4鈦合金具有比重輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好以及良好的力學(xué)性能，因而在航空、航天、艦船、兵器、石油、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。TC4鈦合金的成形工藝較差，應(yīng)用擠壓工藝加工生產(chǎn)型材不僅可以提高金屬的變形能力，而且產(chǎn)品尺寸精確、表面質(zhì)量高、綜合質(zhì)量好。但因?yàn)門C4鈦合金自身變形抗力大、熱加工窗口溫度范圍窄(800～980℃)[3]，且TC4鈦合金熱加工溫度很高，坯料與工模具溫差大，使得換熱劇烈。在擠壓過程中，坯料溫升過大使得晶粒粗大，組織性能達(dá)不到要求，輕者型材表面產(chǎn)生缺陷，使得產(chǎn)品廢品率嚴(yán)重提高，重者會(huì)導(dǎo)致?？滋幣髁蠝囟瘸^坯料的熔點(diǎn)，使得擠壓過程無法繼續(xù)進(jìn)行；若坯料溫降過大，使得坯料變形抗力增大，擠壓力增大，對擠壓設(shè)備要求更高。故研究擠壓過程中坯料溫度的變化具有重要的工程意義。

在以往的TC4鈦合金擠壓工藝方面的研究中，管材的研究較多且工藝比較成熟，如L.X.Li,K.P.Rao,Y.Lou[4]對TC4管材擠壓成形三維熱力耦合數(shù)值模擬研究，表明由于變形導(dǎo)致溫度升高且最大溫升高達(dá)160 ℃；型材擠壓方面的研究，主要集中在鋁合金、鎂合金、銅合金等易變形金屬材料[5-10]，而對于難變形材料TC4鈦合金型材擠壓方面的研究較為少見，故本文利用DEFORM-3D有限元模擬軟件，對于典型的TC4鈦合金H形截面型材,設(shè)計(jì)合理的擠壓筒和模具,分析擠壓過程中坯料預(yù)熱溫度、擠壓速度及摩擦因子、擠壓比及模具預(yù)熱溫度對坯料溫度的影響規(guī)律，從而可以優(yōu)化擠壓工藝，為以后的實(shí)踐生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 TC4鈦合金H形截面型材熱擠壓建模

1.1 有限元模型的建立

由于H形截面型材高度對稱，故選擇四分之一模型進(jìn)行模擬分析，以減少計(jì)算工作量。TC4鈦合金H形異形截面型材三維有限元模型如圖1所示,型材尺寸如圖2 所示。

圖1 型材熱擠壓有限元模型Fig.1 Finite element model of profiles heat extrusion

圖2 型材截面尺寸Fig.2 Size of H-section

1.2 有限元模擬設(shè)置

坯料的本構(gòu)關(guān)系和熱物理參數(shù)取自DEFORM-3D軟件材料庫，本文采用熱力耦合方法，忽略彈性變形，采取剛塑性有限元模型，坯料設(shè)為塑性體, 其他工模具均設(shè)置為具有傳熱性質(zhì)的剛性體。摩擦類型為剪切摩擦。

表1 坯料和模具的熱物理性能

計(jì)算中熱功率轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.9，坯料和模具的楊氏模量、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物理參數(shù)均是溫度的函數(shù)。

2 模擬結(jié)果分析

選擇典型的工藝參數(shù)，分析數(shù)值模擬擠壓過程中溫度場和應(yīng)力場的分布情況。工藝參數(shù)見表2。

表2 擠壓工藝參數(shù)

2.1 溫度場

擠壓過程坯料的溫度變化ΔT，主要由三個(gè)因素綜合影響而導(dǎo)致[11]，即

ΔT=ΔTdef+ΔTfric-ΔTb//t

式中，ΔTdef為坯料擠壓變形產(chǎn)熱所導(dǎo)致的溫升；ΔTfric為坯料與工模具表面摩擦和剪切作用產(chǎn)熱所導(dǎo)致的溫升；ΔTb//t為坯料向工模具傳熱以及已擠出?？椎呐髁吓c空氣的對流作用所導(dǎo)致的溫降。

如圖3a所示，在擠壓填充階段，因坯料與工模具之間的摩擦和剪切作用產(chǎn)熱而使坯料溫度升高，由于坯料與工模具的接觸時(shí)間較短，坯料與工模具及環(huán)境之間的熱交換散熱量較少，故坯料的溫度變化不大。

由圖3b可知，在擠壓穩(wěn)定階段，坯料從擠出模孔，變形區(qū)坯料的溫度顯著升高。這是由于坯料變形在?？赘浇顬閯×?，且?？滋幍慕饘倭魉儆趾芨?，熱量來不及散失就被擠出模孔，從而使?？赘浇呐髁蠝囟蕊@著升高；坯料的最大溫升出現(xiàn)在擠壓墊行程為4 mm左右，?？赘浇冃螀^(qū)坯料的最高溫度為1 070℃，最大溫升為170℃；未變形區(qū)坯料的最低溫度為748℃，最大溫降為152℃。坯料與工模具之間有很大的溫差，鈦合金的導(dǎo)熱性能較差；隨著擠壓過程的進(jìn)行，由于熱傳遞作用，故坯料表面的溫度會(huì)隨著下降，但坯料的最高溫度波動(dòng)不大，產(chǎn)熱與散熱逐漸達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，故溫升逐漸趨于穩(wěn)定并維持在一個(gè)較高的溫度，如圖3c所示。

由溫度分布圖3所示，在擠壓過程中，產(chǎn)熱主要集中在?？赘浇@是由于?？赘浇饘僮冃畏浅×?，故過渡圓角處的溫度明顯比坯料的其他部位溫度高，這與A.F.Castle[12]等人所得出的結(jié)論一致。

圖3 坯料溫度場分布圖Fig.3 Billet temperature distribution

2.2 應(yīng)力場

圖4是坯料的等效應(yīng)力分布圖，在擠壓填充階段，由于坯料的溫度整體較高，故等效應(yīng)力分布均勻且應(yīng)力值相對較低，如圖4a所示。在擠壓穩(wěn)定階段，非變形區(qū)坯料由于熱傳遞作用使坯料表面溫度逐漸下降，故此處的等效應(yīng)力隨著擠壓過程的進(jìn)行逐漸升高，由于溫升使坯料的流變應(yīng)力減小，從而使?？赘浇冃螀^(qū)坯料中的等效應(yīng)力隨著擠壓過程的進(jìn)行而減小，如圖4b和4c所示。

圖4 坯料等效應(yīng)力場分布圖Fig.4 Billet equivalent stress distribution

3 工藝參數(shù)對型材擠壓成形過程溫度的影響

實(shí)際生產(chǎn)中，坯料預(yù)熱溫度、模具預(yù)熱溫度、玻璃潤滑劑的潤滑條件、擠壓速度以及擠壓比是擠壓過程能否順利進(jìn)行、擠壓型材質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素。本文采用單因素法，研究坯料預(yù)熱溫度、擠壓速度、摩擦因子、擠壓比及模具預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)對擠壓過程坯料溫度的變化規(guī)律，工藝參數(shù)范圍如表3所示。

表3 模擬工藝參數(shù)取值范圍

3.1 坯料預(yù)熱溫度

由圖5可知：當(dāng)坯料的預(yù)熱溫度為950℃時(shí)，坯料的最高溫度為1 121℃，溫升為171℃，坯料的最低溫度為687℃，溫降為263℃；當(dāng)坯料的預(yù)熱溫度為850℃時(shí)，坯料的最高溫度為1 052℃，溫升為203℃，坯料的最低溫度為627℃，溫降為223℃。這是因?yàn)榕髁系念A(yù)熱溫度越高，材料的流動(dòng)應(yīng)力越小，變形需要的擠壓力越小，即塑性變形功越小，故溫升越小；坯料與模具的溫差越大，溫降驅(qū)動(dòng)力越大，故溫降越大。由此可知，坯料的預(yù)熱溫度越高，坯料的最高溫度也越高，坯料的最低溫度也越高，但溫升的幅值越小，且溫降的幅值增大。坯料預(yù)熱溫度過高過低都不理想，過低，擠壓需要的擠壓力越大，過高降低模具的使用壽命，故坯料預(yù)熱溫度取920℃較為合適。

圖5 預(yù)熱溫度對坯料溫度的影響Fig.5 Preheating temperature influence on billet temperature

3.2 擠壓速度

坯料的最高溫度隨著擠壓速度的增加而增加，且增加幅度隨擠壓速度的增大而增大，如圖6a所示。這是因?yàn)?，一方面擠壓速度越高，變形區(qū)坯料的應(yīng)變速率越大，變形區(qū)產(chǎn)熱量越大；另一方面擠壓速度越高，熱傳導(dǎo)需要的時(shí)間越少，導(dǎo)致大量的熱來不及擴(kuò)散，從而使坯料最高溫度越高。由圖6b可知：隨著擠壓過程的進(jìn)行，未變形區(qū)坯料的溫度會(huì)下降，這是由于坯料與模具直接的熱傳遞作用所致；擠壓速度越小，溫度下降速度越快，這是因?yàn)樗俣刃∮谐浞謺r(shí)間進(jìn)行熱傳遞所致。

圖6 擠壓速度對坯料溫度的影響Fig.6 Extrusion speed influence on billet temperature

由圖6可知：擠壓速度過高或過低都不理想，擠壓速度過高會(huì)使坯料溫升過大，導(dǎo)致坯料晶粒粗大，從而使坯料的組織性能變壞；擠壓速度過低，一方面會(huì)使坯料溫降過大，增大擠壓力，且容易使擠壓溫度超出TC4鈦合金的最佳變形范圍，另一方面使坯料和模具的接觸時(shí)間長，對模具也是不利的，故擠壓速度取120 mm/s較為合適。

3.3 摩擦因子

在擠壓過程中，摩擦因子在溫升方面扮演著重要的角色。由圖7a可知：摩擦因子越大，坯料的最高溫度越高，故摩擦因子越小越好；由圖7b可知：摩擦因子越小，坯料的最低溫度越低。若潤滑不合理不僅使溫升很大而且使擠壓模大量磨損，嚴(yán)重影響模具壽命，故總的來說，摩擦因子越小越好，一般鈦合金擠壓選用玻璃潤滑劑，潤滑效果最好可使摩擦因子控制在0.04～0.06，故摩擦因子取0.04較為合適。

圖7 摩擦因子對坯料溫度的影響Fig.7 Friction factor influence on billet temperature

3.4 擠壓比

由圖8a可知：擠壓比越大，坯料的最高溫度越高，因?yàn)樽冃纬潭仍龃螅冃螣嵩黾?，故溫升增大，即最高溫度越高。通常擠壓比越大，晶粒尺寸越細(xì)小，材料的力學(xué)性能越好，但是對于鈦合金若擠壓比過大，由于變形熱效應(yīng)容易使擠壓溫度升高到α+β/β相變溫度以上，造成制品出現(xiàn)網(wǎng)籃組織，其塑形指標(biāo)降低，疲勞性能變差。由圖8b可知：擠壓比對坯料的最低度影響不大。綜合考慮溫升和材料性能，故擠壓比取10較為合適。

3.5 模具預(yù)熱溫度

模具的預(yù)熱溫度越高，坯料的最高溫度越高，最低溫度也越高，如圖9所示，這是因?yàn)槟＞吲c坯料之間進(jìn)行熱傳遞作用所造成的。為了保證坯料的最低溫度不要低于其最佳擠壓溫度，模具溫度高比較有利，但模具的預(yù)熱溫度不宜過高，因?yàn)闇囟仍礁?，模具的?qiáng)度和剛度下降，磨損加劇，使得模具使用壽命降低，生產(chǎn)成本增加。綜合考慮坯料的溫升和模具的壽命，故模具預(yù)熱溫度取400℃較為合適。

圖8 擠壓比對坯料溫度的影響Fig.8 Extrusion ratio influence on billet temperature

圖9 模具預(yù)熱溫度對坯料溫度的影響Fig.9 Die preheating temperature influence on billet temperature

4 結(jié)束語

(1)針對典型TC4鈦合金型材擠壓工藝，分析擠壓過程中坯料的溫度及等效應(yīng)力場的分布情況，結(jié)果表明：坯料溫度在填充擠壓階段開始升高，進(jìn)入穩(wěn)定擠壓階段溫度顯著升高且產(chǎn)熱與散熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；過渡圓角處坯料的溫度明顯高于坯料的其他部位。

(2)TC4鈦合金型材擠壓過程中，坯料的溫升隨著擠壓速度、摩擦因子以及模具預(yù)熱溫度的增大而增大，隨著坯料預(yù)熱溫度的增大而減?。慌髁系臏亟惦S著擠壓速度、摩擦因子以及模具預(yù)熱溫度的增大而減小，隨著坯料預(yù)熱溫度的增大而增大；坯料的溫升隨擠壓比的增大而增大，但擠壓比對溫降影響不顯著。綜合考慮坯料溫度和模具壽命問題，獲得TC4鈦合金型材擠壓優(yōu)選工藝方案為：擠壓比取10、坯料的預(yù)熱溫度取920℃、擠壓速度取120℃、模具的預(yù)熱溫度取400，摩擦因子取0.04。

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Research on devolvement rule of billet temperature of TC4 titanium alloyprofile in hot extrusion process

WEI Hui-hui,YU Xin-hong

(School of Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072,China)

The numerical simulation method was used to analysis the coupling thermal-mechanical behavior in H-section profile extrusion process of TC4 titanium alloy. The distribution of billet temperature and the effect regularity of different process parameters on the billet temperature were obtained. The results showed that the billet temperature increases significantly in the stable extrusion stage, heat production and heat radiation reached dynamic balance . Billet temperature of fillet was higher than that in other parts of the blank. With the increasing of extrusion speed, friction factor, extrusion ratio and the die preheating temperature, the billet temperature rise increased, while the billet temperature rise decreased with increasing of the preheating temperature of billet. The billet temperature drop changed on the contrary rules. The optimal extrusion process was obtained finally.

titanium alloy; extrusion; profile; numerical simulation

2014-10-16；

2014-11-21

魏慧慧(1988-)，女，碩士研究生，主要研究方向：塑性加工新技術(shù)和新工藝。

TG379

A

1001-196X(2015)01-0053-06