孫花梅，劉 偉，戚運(yùn)蓮，李修雷，毛小南，洪 權(quán)

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

艦船長(zhǎng)期暴露在海洋環(huán)境中，對(duì)材料的耐腐蝕性有嚴(yán)格的要求。并且艦船在運(yùn)行過(guò)程中要承受大載荷、浮力、沖擊力、搖晃慣性力的作用，因而對(duì)材料的強(qiáng)-塑性匹配也提出了更高要求[1]。鈦合金比強(qiáng)度高、耐海水及其他介質(zhì)腐蝕、疲勞性能好、焊接性能優(yōu)良，被視為理想的艦船用材料。另外鈦合金的無(wú)磁性、良好的透聲性特點(diǎn)對(duì)潛艇反偵查及聲吶系統(tǒng)都具有重要意義[2]。

國(guó)外一些國(guó)家已經(jīng)建立了自己的艦船用鈦合金體系。俄羅斯完善了不同強(qiáng)度等級(jí)的艦船用鈦合金，并且按照在艦船上的不同用途進(jìn)行了分類[3,4]。美國(guó)將航空航天用鈦合金開創(chuàng)性地應(yīng)用在了潛艇、驅(qū)逐艦和航母上，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一系列艦船用鈦合金[5]。我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的研究，在艦船用鈦合金領(lǐng)域也取得了一定的成果，形成了320～1200 MPa范圍的低、中、高屈服強(qiáng)度的鈦合金體系[6]，但是在艦船鈦合金管材應(yīng)用研究方面還不夠完備。目前，艦船用鈦合金管材多以兩相鈦合金為主，由于兩相鈦合金冷加工性能差，造成管材加工周期長(zhǎng)、成本高[7]。α型和近α型鈦合金雖然冷成形性能好，但是滿足不了管材高屈服強(qiáng)度的使用要求。因此，西北有色金屬研究院自主研發(fā)了Ti-B25高強(qiáng)β鈦合金，以滿足艦船天線管的使用要求。

金屬塑性成形過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的彈塑性變形過(guò)程，既有材料非線性，又有幾何非線性，再加上邊界接觸條件的非線性，使其變形機(jī)理變得非常復(fù)雜，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。由于有限元法可以全面地考慮變形過(guò)程中材料的動(dòng)態(tài)特性、邊界條件和初始條件的影響，并且具有精度高、可虛擬成形過(guò)程、能反復(fù)計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，因此有限元法成為模擬分析塑性成形過(guò)程的有力工具。借助于有限元數(shù)值模擬技術(shù)，能夠直觀全面地了解擠壓成形過(guò)程，節(jié)省人力和物力，并以較小的代價(jià)在較短的時(shí)間內(nèi)得到優(yōu)化的工藝方案。

為了加快推動(dòng)Ti-B25鈦合金在艦船通信系統(tǒng)上的應(yīng)用，本研究利用前期構(gòu)造的本構(gòu)方程和熱加工圖優(yōu)化出的工藝參數(shù)[8,9]，使用DEFORM-3D軟件對(duì)管材擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)模擬過(guò)程進(jìn)行實(shí)際擠壓驗(yàn)證。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型

圖1為擠壓坯料和模具示意圖。利用SolidWorks軟件建立坯料、擠壓筒、擠壓桿的三維模型，然后生成DEFORM-3D有限元軟件能夠識(shí)別的STL文件。

圖1 擠壓坯料和模具示意圖Fig.1 Schematic diagrams of blank and die for pipe extrusion: (a) blank；(b) extrusion cylinder；(c) extrusion rod

DEFORM-3D有限元模擬軟件需要對(duì)模擬對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以便后續(xù)模擬計(jì)算過(guò)程順利進(jìn)行。為了加快模擬仿真過(guò)程的計(jì)算速度，取管坯的1/4進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了避免模擬過(guò)程中，網(wǎng)格劃分過(guò)大引起計(jì)算不收斂而導(dǎo)致模擬不能繼續(xù)進(jìn)行，對(duì)坯料進(jìn)行不同量級(jí)的網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 管坯的有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of pipe blank

1.2 本構(gòu)模型

根據(jù)前期對(duì)Ti-B25鈦合金高溫變形過(guò)程本構(gòu)關(guān)系的研究[8]，本次擠壓模擬過(guò)程采用的本構(gòu)方程為：

1.3 參數(shù)設(shè)置

通過(guò)Ti-B25鈦合金熱變形行為及熱加工圖的研究可知[9]：在變形溫度850～950 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1的工藝參數(shù)范圍內(nèi)變形，Ti-B25鈦合金具有良好的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織。參照熱加工圖并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，坯料的初始溫度設(shè)為900 ℃，應(yīng)變速率設(shè)為0.1 s-1。坯料與擠壓模具之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.3，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為5。模擬過(guò)程的步長(zhǎng)設(shè)為0.5 mm，共模擬600步，每2步保存一次數(shù)據(jù)。

2 模擬結(jié)果與分析

圖3為擠壓過(guò)程中不同階段Ti-B25鈦合金管坯的應(yīng)力場(chǎng)分布圖。從圖3可以看出，擠壓開始階段，受擠壓桿的影響，大應(yīng)力區(qū)域主要集中在管坯的頭部和尾部，管坯中間部分應(yīng)力較小。隨著擠壓的進(jìn)行，管坯前端慢慢進(jìn)入擠壓筒并產(chǎn)生較大的變形，等效應(yīng)力較大；而一旦管坯前端通過(guò)定徑帶，管坯應(yīng)力集中得到釋放，等效應(yīng)力就變得非常小。最大等效應(yīng)力始終出現(xiàn)在擠壓筒凹模圓角處。

圖3 Ti-B25鈦合金管坯擠壓過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.3 Stress field distribution of Ti-B25 titanium alloy pipe blank during extrusion

圖4為Ti-B25鈦合金管坯擠壓過(guò)程中不同階段的應(yīng)變場(chǎng)分布圖。從圖4可以看出，擠壓初期，Ti-B25鈦合金管坯在擠壓筒內(nèi)的變形較小，等效應(yīng)變也很小。隨著擠壓進(jìn)行，管坯通過(guò)定徑帶，在進(jìn)入和通過(guò)定徑帶時(shí)都發(fā)生了很大的變形，因此該處管坯表面的等效應(yīng)變比較大。定徑帶圓角處管坯表面的等效應(yīng)變最大，其次是定徑帶內(nèi)部坯料表面的等效應(yīng)變，而通過(guò)定徑帶的管坯表面等效應(yīng)變相對(duì)較小。此外，定徑帶圓角處管坯表面對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力也大。因此，在實(shí)際Ti-B25鈦合金管坯擠壓過(guò)程中這一部位容易產(chǎn)生變形死區(qū)。

圖4 Ti-B25鈦合金管坯擠壓過(guò)程中應(yīng)變場(chǎng)分布Fig.4 Strain field distribution of Ti-B25 titanium alloy pipe blank during extrusion

圖5為Ti-B25鈦合金管坯擠壓過(guò)程中不同階段的溫度場(chǎng)分布圖。從圖5可以看出，擠壓初期階段，Ti-B25鈦合金管坯表面由于與擠壓桿和擠壓筒以及環(huán)境的熱交換導(dǎo)致表面溫度下降。隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，與模具接觸部位的管坯表面溫度越來(lái)越低，而進(jìn)入和通過(guò)定徑帶的變形部位由于塑性變形功大部分轉(zhuǎn)化為熱能而導(dǎo)致定徑帶芯部處管坯溫度越來(lái)越高，使得管坯溫度場(chǎng)分布嚴(yán)重不均勻。管坯內(nèi)的最高溫度與管坯表面的最低溫度相差達(dá)到170 ℃。因此，擠壓時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制變形溫度，同時(shí)在綜合考慮模具材料的選用范圍和模具壽命的前提下，盡可能提高模具溫度，以減少Ti-B25鈦合金管坯表面溫度的降低。

圖5 管坯擠壓過(guò)程中溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution of Ti-B25 titanium alloy pipe blank during extrusion

3 管材擠壓試驗(yàn)

3.1 擠壓管坯表面質(zhì)量

通過(guò)DEFORM-3D軟件對(duì)管材擠壓過(guò)程的數(shù)值模擬，在臥式油壓機(jī)上進(jìn)行了Ti-B25鈦合金管坯的擠壓試驗(yàn)。管坯擠壓參數(shù)設(shè)置為：變形溫度900 ℃，應(yīng)變速率0.1 s-1，擠壓速度50 mm/s。擠壓后的Ti-B25鈦合金管坯尺寸為φ62 mm×12 mm，如圖6所示。從圖6可以看出，在該工藝條件下擠壓出來(lái)的Ti-B25鈦合金管坯具有良好的直線度，管坯表面光潔，沒有明顯劃痕及橘皮狀褶皺。擠壓管坯組織為變形的β相。擠壓Ti-B25鈦合金管坯前端有缺損、細(xì)小裂痕、褶皺，主要是由于前端溫度下降太快，并且擠壓前期端部變形不穩(wěn)定造成，是管坯擠壓過(guò)程中的普遍現(xiàn)象。

圖6 Ti-B25鈦合金擠壓管坯Fig.6 Extruded pipe blank of Ti-B25 titanium alloy

3.2 擠壓管坯室溫力學(xué)性能

Ti-B25屬于高強(qiáng)β鈦合金，具有優(yōu)異的固溶時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)。為了調(diào)整Ti-B25鈦合金管坯的力學(xué)性能，獲得良好的強(qiáng)-塑性匹配，對(duì)擠壓管坯進(jìn)行了2種不同工藝的熱處理，分別為：① 830 ℃/1 h固溶處理；② 830 ℃/1 h+600 ℃/8 h固溶時(shí)效處理。Ti-B25鈦合金管坯原始顯微組織和熱處理后的顯微組織如圖7所示。從圖7a可以看出，原始管坯顯微組織中主要為擠壓變形的β晶粒，并且伴隨有少量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。從圖7b可以看出，管坯經(jīng)過(guò)830 ℃/1 h固溶處理后，大量α相在β基體上析出，呈不均勻分布。從圖7c可以看出，管坯經(jīng)過(guò)830 ℃/1 h+600 ℃/8 h固溶時(shí)效處理后，α相在β基體上彌散分布。

圖7 Ti-B25鈦合金管坯不同狀態(tài)的顯微組織Fig.7 Microstructures of Ti-B25 titanium alloy pipe blank at different states: (a) original state；(b) 830 ℃/1 h solution treatment；(c) 830 ℃/1 h+600 ℃/8 h solution aging treatment

對(duì)3種狀態(tài)的Ti-B25鈦合金管坯進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，830 ℃/1 h固溶處理使管坯的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率明顯提高。與固溶熱處理相比，830 ℃/1 h+600 ℃/8 h固溶時(shí)效處理提高了管坯的強(qiáng)度，降低了管坯的塑性。與原始管坯相比，經(jīng)過(guò)830 ℃/1 h+600 ℃/8 h固溶時(shí)效處理后管坯強(qiáng)度得到了明顯的提高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1239 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1152 MPa，斷后伸長(zhǎng)率也略有提高，達(dá)到10%。經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后的Ti-B25鈦合金管坯，力學(xué)性能滿足艦船天線管使用要求。

表1 Ti-B25鈦合金管坯不同狀態(tài)的室溫力學(xué)性能Table 1 Room temperature mechanical properties of Ti-B25 titanium alloy pipe blank in different states

圖8為固溶時(shí)效后Ti-B25鈦合金管坯的室溫拉伸斷口形貌。從圖8a可以看出，斷口主要由中部的纖維區(qū)和周圍的剪切唇區(qū)組成，兩者之間有明顯的界限，纖維區(qū)范圍較大。從圖8b可以看出，剪切唇區(qū)分布著一定數(shù)量的等軸狀韌窩，韌窩尺寸小。這些特征表明Ti-B25鈦合金管坯斷裂方式為韌性斷裂，管坯經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效后具有良好的強(qiáng)-塑性匹配。

圖8 Ti-B25鈦合金管坯室溫拉伸斷口形貌Fig.8 Room temperature tensile fracture morphologies of Ti-B25 titanium alloy pipe blank: (a) macro-morphology；(b) micro-morphology

3.3 管材成品

900 ℃、0.1 s-1工藝條件下擠壓的Ti-B25鈦合金管坯，經(jīng)過(guò)830 ℃/1 h+600 ℃/8 h固溶時(shí)效處理后進(jìn)行機(jī)械加工，成功得到φ55 mm×5 mm×2700 mm的無(wú)縫管材。

4 結(jié) 論

(1) 在Ti-B25鈦合金管材擠壓有限元模擬過(guò)程中，擠壓筒凹模圓角處管坯等效應(yīng)力最大，定徑帶圓角處管坯等效應(yīng)變最大，定徑帶芯部管坯溫升最嚴(yán)重。

(2) 在溫度900 ℃、應(yīng)變速率0.1 s-1工藝參數(shù)下進(jìn)行Ti-B25鈦合金管材擠壓，獲得了表面質(zhì)量良好的擠壓管坯。管坯微觀組織為變形的β相，并伴隨有再結(jié)晶晶粒。

(3) 擠壓Ti-B25鈦合金管坯經(jīng)過(guò)830 ℃/1 h+600 ℃/8 h固溶時(shí)效處理，α相在β基體上彌散分布。管坯屈服強(qiáng)度達(dá)到1152 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1239 MPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到10%。斷口形貌呈現(xiàn)韌性斷裂，Ti-B25鈦合金管坯獲得了良好的強(qiáng)-塑性匹配。

(4) 對(duì)固溶時(shí)效處理后的Ti-B25鈦合金管坯進(jìn)行機(jī)械加工，成功得到φ55 mm×5 mm×2700 mm的無(wú)縫管材。