Ti-47.at%Al合金的等溫鍛造模擬

鄧太慶，胡連喜

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

TiAl基合金因其具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量以及優(yōu)異的高溫機(jī)械性能、抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)，成為航天、航空及汽車用發(fā)動機(jī)耐熱結(jié)構(gòu)件極具競爭力的材料［1-2］.TiAl金屬間化合物晶體結(jié)構(gòu)為L10型有序晶體結(jié)構(gòu)，對稱性低、滑移系少，室溫下又硬又脆，機(jī)械加工非常困難.同時，TiAl合金的鑄造工藝性能較差.對于一些復(fù)雜構(gòu)件，采用鑄造工藝不僅難以實現(xiàn)成形，而且力學(xué)性能差［1-3］.目前，等溫成形是 TiAl合金零件近凈成形的有效途徑［4-5］.但是TiAl合金需在很高的變形溫度下等溫成形，且對模具要求也高，如果以試驗來確定等溫成形的鍛造工藝參數(shù)，則成本較高，周期也較長.有限元模擬作為一種便捷有效的方法，在模具設(shè)計和研究零件成形過程中發(fā)揮了重要作用，它為預(yù)測成形過程中的變形行為、可能產(chǎn)生的缺陷和確定最佳工藝參數(shù)等提供了依據(jù)［6］.

本工作通過Gleeble熱壓縮實驗獲得Ti-47.at%Al合金高溫流變曲線，計算了其流變應(yīng)力本構(gòu)模型，利用商業(yè)化有限元模擬軟件Deform2D，模擬了不同鍛造工藝參數(shù)下TiAl合金V型件的等溫鍛造過程，研究了變形溫度、上模速度、摩擦因子和坯料形狀對零件成形過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫升和材料損傷的影響，進(jìn)而為Ti-47.at%Al合金零件的等溫鍛造工藝的優(yōu)化設(shè)計及質(zhì)量控制提供了理論和技術(shù)上的支持.

1 實驗

實驗所用材料為粉末冶金制備的Ti-47.at%Al合金［7］.為研究該合金在高溫下的流變行為，從材料中切取Ф6 mm×9 mm的等溫?zé)釅嚎s試樣，并且試樣兩端面帶有深和寬為0.2 mm的潤滑劑儲存槽，熱壓縮模擬實驗在 Gleeble-1500D試驗機(jī)上進(jìn)行.變形溫度為 900～1 200℃，應(yīng)變速率為0.001～0.02 s-1.

考慮坯料在等溫鍛造過程中為平面應(yīng)變狀態(tài)，建立如圖1所示的二維幾何模型，上模和下模均視為剛體，工件視為粘塑性材料.等溫鍛造模擬條件為:坯料形狀為半圓與梯型坯料;鍛造速度分別為0.01 mm/s、0.1 mm/s和1 mm/s;摩擦因子分別為0.2、0.3和0.4;溫度分別為1 050℃、1 100℃和1 150℃.半圓型坯料被離散成516個四面體單元，557個節(jié)點(diǎn);梯形坯料被離散成626個四面體單元，676個節(jié)點(diǎn).由于變形過程中原始網(wǎng)格會發(fā)生嚴(yán)重畸變，因此，模擬過程中采用網(wǎng)格重劃分手段，進(jìn)而提高計算精度.

2 結(jié)果與分析

2.1 流變應(yīng)力本構(gòu)模型

通過熱壓縮實驗獲得的Ti-47.at%Al合金高溫變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線圖，如圖2所示.可見，隨著應(yīng)變的增加，開始時應(yīng)力迅速增加到峰值，以后隨著應(yīng)變的增大，出現(xiàn)流變軟化現(xiàn)象，真應(yīng)力逐漸減小，并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài).在應(yīng)變速率一定時，隨著變形溫度的升高，峰值應(yīng)力呈下降趨勢且下降比較大，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力隨著溫度的變化呈現(xiàn)出與峰值應(yīng)力相同的變化趨勢;在變形溫度保持不變時，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而升高.合金高溫變形過程中的峰值應(yīng)力與變形參數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示.從圖中可以看出，溫度和應(yīng)變速率對流變應(yīng)力影響較大.Ti-47.at%Al合金是溫度和應(yīng)變速率敏感性材料.當(dāng)應(yīng)變速率較小時，變形溫度對峰值應(yīng)力的影響較小;當(dāng)應(yīng)變速率較大時，變形溫度對峰值應(yīng)力的影響較大.

圖1 坯料初始網(wǎng)格

圖2 不同變形溫度下Ti-47at.%Al合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線圖

圖3 Ti-47at.%Al合金在不同變形條件下的峰值應(yīng)力

由熱壓縮實驗結(jié)果可知，應(yīng)變速率，溫度和應(yīng)變都對Ti-47.at%Al合金的流變應(yīng)力有影響.所以在建立本構(gòu)模型時應(yīng)考慮應(yīng)變的影響，利用逐步回歸法最終得到本構(gòu)模型為

2.2 v型件等溫鍛造有限元模擬

基于DEFORM/2D平臺材料流動應(yīng)力模型子程序的開發(fā)，將Ti-47.at%Al合金高溫流變應(yīng)力本構(gòu)方程嵌入Deform2D軟件中，并對Ti-47.at%Al合金等溫鍛造過程進(jìn)行模擬.

實際工藝設(shè)計上還需考慮鍛后坯料的完整性，因而，利用有限元軟件模擬了等溫鍛造過程中坯料的斷裂損傷分布，預(yù)測鍛造過程中坯料哪個部位可能產(chǎn)生裂紋.最簡單和最廣泛使用的斷裂判據(jù)是由 Cockcroft和 Latham提出的［8］，該判據(jù)不是根據(jù)微觀斷裂力學(xué)模型而是簡單地辨認(rèn)出發(fā)生斷裂時拉伸應(yīng)力和塑性應(yīng)變的連接作用，斷裂因子可表述為:

式中:σMAX為最大拉應(yīng)力;為等效應(yīng)力;為等效應(yīng)變;C為材料斷裂因子.

圖4為半圓形預(yù)成型坯在變形溫度為1 150℃、摩擦因子為0.3、上模速度為0.1 mm/s的條件下的變形過程中，不同變形階段坯料的節(jié)點(diǎn)速度場.從圖中可以看出，開始階段，坯料與模具接觸點(diǎn)首先發(fā)生變形，與凸模接觸區(qū)坯料流動快，而與凹模接觸部分流動較慢，中間的坯料在向下流動的同時也快速的向左右兩邊流動，在該處出現(xiàn)拉應(yīng)力，可能導(dǎo)致缺陷的出現(xiàn);隨著上模的壓下量不斷增大，凹模底部基本上被填充滿之后，坯料處于背擠壓階段，坯料的流動方向基本趨于一致，但是由于坯料內(nèi)部流動速度相差較大，使得在坯料內(nèi)部也出現(xiàn)拉應(yīng)力，同時在坯料的自由表面處，由于摩擦的作用也將出現(xiàn)拉應(yīng)力.從圖5坯料在不同變形階段的損傷分布圖中可以看出，坯料在各個變形階段坯料流動差異較大的地方即出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域引起的損傷最大;當(dāng)出現(xiàn)飛邊后，由于摩擦力的作用，在飛邊圓角處拉應(yīng)力較大，引起的損傷也較大，容易出現(xiàn)裂紋.

圖4 半圓形坯料在不同變形階段的節(jié)點(diǎn)速度場分布

圖6為半圓形預(yù)成型坯料在變形溫度為1 150℃、摩擦因子為0.3、上模速度為0.1 mm/s的條件下鍛造成形后的等效應(yīng)變、等效應(yīng)變速率和溫度的分布圖.從圖6(a)可看出，坯料圓角和凸模頂端與坯料接觸部分的應(yīng)變最大，在坯料底部應(yīng)變比較均勻，變形量小.由圖6(b)可知，由于在變形結(jié)束階段，在變形劇烈的圓角和飛邊處，材料的流動速度較快，坯料的應(yīng)變速率最大，而其他部位的應(yīng)變速率較均勻;從每個模擬工藝條件下的模擬結(jié)果比較可知，隨著鍛造速度的增加，等效應(yīng)變速率也隨之增加.從圖6(c)中可以發(fā)現(xiàn)，坯料內(nèi)部的溫度分布較均勻且溫度相對較低，從底部到飛邊處溫度依次遞增.這是由于在圓角和飛邊處變形劇烈，產(chǎn)生較大的變形熱，所以相對溫度較高.在所有變形情況下，溫度的分布規(guī)律基本是 一致的.

圖5 半圓形坯料在不同變形階段的損傷分布圖

圖6 半圓形坯料在變形溫度為1 150℃、摩擦因子為0.3、上模速度為0.1 mm/s的條件下鍛造成形后的等效應(yīng)變、等效應(yīng)變速率和溫度的分布

2.2.1 不同預(yù)成型坯形狀對鍛造的影響

通常在鍛造過程中，選擇好的坯料形狀不僅能有利于金屬的成形而且能改善金屬的成形質(zhì)量.由表1可知，梯形的最大等效應(yīng)變比半圓形的大一倍，最大等效應(yīng)力小2.6 MPa，最大溫度高25℃.從不同形狀的坯料的鍛造模擬結(jié)果來看，半圓形坯料和梯形坯料相比，半圓形坯料的等效應(yīng)變小，等效應(yīng)變梯度小，變形較均勻，在成形過程中的充填性好.由于梯形坯料變形量大，導(dǎo)致坯料的溫度升高更大，溫度升高一定程度上降低了零件的等效應(yīng)力.

表1 不同坯料在1 050℃、0.1 mm/s、摩擦因子為0.3的條件下鍛造后的各個場變量的最值

由圖7不同預(yù)成型坯形狀在同一變形階段的斷裂損傷圖可知，兩種坯料在成形過程中，材料流動情況不同，材料內(nèi)部出現(xiàn)大損傷的區(qū)域不同，在飛邊出現(xiàn)前的變形階段，梯形坯料的損傷比半圓形坯料大.所以，對于半圓形坯料來說，其形狀和模具契合度高，坯料受力流動較均勻，充填性較好，能減小裂紋出現(xiàn)的可能性.

圖7 不同預(yù)成型坯形狀在同一變形階段的斷裂損傷圖

2.2.2 不同鍛造速度對鍛造的影響

通過模擬半圓形坯料在1 050℃、摩擦因子為0.3，不同鍛造速度下的鍛造結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鍛造速度的變化對材料的等效應(yīng)變分布及大小的影響很小，由表2可知，最大等效應(yīng)變在2～3之間.隨著鍛造速度的增大，變形體內(nèi)的等效應(yīng)力明顯增大，等效應(yīng)力分布越不均勻;變形體最大等效應(yīng)力由2.07 MPa，增加到25MPa.隨著上模速度的增加，使得該變形區(qū)域的局部溫升急劇增加，使得坯料內(nèi)部溫度梯度變大.由表2可知，當(dāng)上模速度為0.01 mm/s、0.1 mm/s、1 mm/s 時，變形體內(nèi)的最大溫升分別為10℃、60℃、100℃;斷裂損傷因子分別為 0.0376、0.118、0.201.鍛造速度越大的話，越容易出現(xiàn)裂紋等缺陷.因此，在綜合考慮生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，適當(dāng)降低上模速度對于節(jié)約生產(chǎn)能耗和提高模具壽命具有積極的作用.

表2 不同上模速度下鍛造后的場變量的最值

2.2.3 不同鍛造溫度對鍛造的影響

由表3可知，半圓形坯料在上模速度為0.1 mm/s、摩擦因子為0.3、不同溫度下鍛造，變形溫度從1 050℃上升到1 150℃時，變形體內(nèi)的最大等效應(yīng)力從18.5 MPa降低到4.2 MPa，變形體內(nèi)部的最大溫升由50℃降為29℃.結(jié)合不同溫度下鍛造的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，坯料溫度的變化對材料的等效應(yīng)變分布及大小的影響很小.隨著變形溫度的升高，使得等效應(yīng)力值顯著減小，材料的流動性能得到改善，等效應(yīng)力和溫度分布更加均勻，材料的流動性能和溫升情況得到改善;隨著溫度的升高，斷裂損傷因子相應(yīng)的減小.因此，在等溫鍛造時，在模具允許的情況下，適當(dāng)?shù)奶岣咦冃螠囟扔欣谧冃误w內(nèi)部的變形更趨于均勻，避免裂紋的產(chǎn)生.

表3 不同變形溫度下鍛造后的場變量的最值

2.2.4 摩擦因子對鍛造的影響

由表4可知，Ti-47Al合金成形時，由于摩擦條件的影響，在其它條件相同的情況下，摩擦因子越小其產(chǎn)生的等效應(yīng)變越大.摩擦因子為0.2時，變形體等效應(yīng)變最大，金屬流動容易，變形體內(nèi)等效應(yīng)變分布相對其它兩組更均勻;隨著摩擦因子的增大，與坯料變形熱相比，由摩擦產(chǎn)生的熱量很少;由斷裂因子的最大值可知，摩擦條件越差，越容易使坯料在鍛造過程中出現(xiàn)裂紋.所以，在零件的鍛造成形過程中應(yīng)盡量改善潤滑條件.

2.2.5 不同變形工藝參數(shù)下的位移—載荷曲線

圖8是不同變形條件下等溫鍛造過程中的位移—載荷曲線.由圖8可知，在等溫鍛造過程初期，零件的變形量比較小，零件與模具的接觸面積也比較小，所需變形力較小.隨著變形量的增大，在模具的約束下，金屬向下和向左右流動，開始沿著型腔向圓角處流動，這時變形載荷穩(wěn)步增加，這是由于變形程度增大，坯料各部分與模具的接觸面逐步增加，導(dǎo)致載荷慢慢增大.當(dāng)金屬流過圓角，形成飛邊的一瞬間，變形載荷突然增大，即出現(xiàn)峰值點(diǎn)，飛邊形成后又驟減，然后再慢慢增大.峰值點(diǎn)的出現(xiàn)主要是由于在坯料流動到與凸模接觸后，受到三向約束，載荷急劇增加.當(dāng)力足夠大時，大塊金屬被擠入上模與下模之間的縫隙內(nèi)形成飛邊，載荷驟減.出現(xiàn)飛邊后由于坯料與模具接觸面積增大，摩擦力增大，導(dǎo)致隨著壓下量的增大載荷也相應(yīng)的增大.

從8中可以看出，上模速度對變形載荷的影響比變形溫度、摩擦因子和坯料形狀對變形載荷的影響更顯著.對于Ti-47.at%Al合金零件在較高的變形溫度和較低的上模速度條件下有利于降低變形載荷，該合金對變形速度和溫度很敏感;在變形初期，摩擦因子對變形力的影響很不明顯，在后期，坯料與模具接觸區(qū)域變大了，隨著摩擦因子的增大，載荷增大;半圓形坯料有利于金屬流動，所需載荷也相應(yīng)的更小.

圖8 不同變形條件下等溫鍛造過程中的位移—載荷曲線

3 結(jié)論

1)Ti-47.at%Al合金的流動應(yīng)力對溫度和應(yīng)變速率比較敏感，隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的提高，流動應(yīng)力顯著增大.不同變形條件下，Ti-47.at%Al合金表現(xiàn)出不同程度的應(yīng)力軟化現(xiàn)象.

2)Ti-47.at%Al合金V型件的成形過程中，V型件的側(cè)壁內(nèi)部和飛邊圓角處拉應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)裂紋.

3)半圓形坯料和梯形坯料相比，半圓形坯料在成形過程中，充填性好，變形較均勻，不易產(chǎn)生裂紋.

4)隨著變形溫度提高和鍛造速度的減小，鍛造所需的載荷越小，溫度和等效應(yīng)力分布也越均勻，材料損傷也小.在鍛造成形過程中，改善潤滑條件，這既能減小鍛造載荷，也能一定程度的避免裂紋的出現(xiàn).

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