TC18 鈦合金雙圓錐臺試樣熱變形有限元模擬研究①

毛 穎， 雷 雨， 丁 旭， 張曉泳， 汪冰峰，， 樊 凱， 馮抗屯， 謝 靜， 王海鵬， 雷家峰

（1.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙410083； 2.中鋁洛陽銅業(yè)有限公司，河南 洛陽471039； 3.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙410083； 4.湖南金天鈦業(yè)科技有限公司，湖南 常德413000； 5.中航飛機起落架有限公司，湖南 長沙410200； 6.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川 德陽618000； 7.西安三角防務有限公司，陜西 西安710089； 8.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽110016）

TC18 鈦合金是一種高強韌近β 型鈦合金，具有強度高、塑韌性好以及耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛用于航天航空和海洋軍事等領域［1-3］。 該合金由前蘇聯(lián)航空材料所研制，是退火狀態(tài)下強度最高的鈦合金。

近年來，隨著高通量設計概念的提出，不少學者基于這一概念提出了各種試驗設計方法，雙圓錐臺試樣變形技術是當前材料高通量測試的熱點技術，也是一種快速獲取材料變形參數(shù)的很有前途的試驗方法。Tan 等人［4］設計了一種高溫鎳基合金的雙圓錐臺試樣，通過有限元模擬獲得試樣梯度應變分布，并探討了不同應變狀態(tài)下合金的組織情況和熱力學行為。 本文選用TC18 合金高強韌鈦合金為研究對象，采用高通量雙圓錐臺試樣設計這一理念，通過圓柱形和雙圓錐臺兩種形狀試樣的熱壓縮試驗，對比驗證雙圓錐臺試樣熱變形試驗可行性，并試圖在解決熱變形過程中變形參數(shù)與組織演變關系的同時減少試驗次數(shù)，提高試驗效率。

1 試驗材料與過程

試驗材料為熱鍛TC18 鈦合金，其名義成分為Ti?5Al?5Mo?5V?1Cr?1Fe，合金相變點在870 ℃左右［5-6］。

熱模擬壓縮試驗的試樣為Φ8 mm × 12 mm 的圓柱試樣，壓縮試驗在Gleeble3800 熱模擬試驗機上進行。 將試樣加熱到目標溫度保溫3 min，隨后以一定的應變速率將試樣壓縮至設定變形量。 變形溫度分別為790，820，850，880 和900 ℃，應變速率為0.01，0.1，1.0和10 s-1，設定應變分別為0.2，0.3 和0.4。 壓縮后，水冷淬火保留原始金相組織。 淬火后試樣沿壓縮方向線切割，經(jīng)研磨、拋光和Kroll 試劑（2 mL HF＋4 mL HNO3＋100 mL H2O）腐蝕，在光學顯微鏡下觀察微觀組織并采用NanoMeasurer 軟件測量其中α 相晶粒尺寸。

雙圓錐臺試樣熱壓縮試驗的試樣加工尺寸及外形如圖1 所示，壓縮試驗在MTS 322T 型工作臺試驗機上進行。 將雙圓錐臺試樣加熱到目標溫度保溫15 min，隨后以一定的應變速率將試樣壓縮至設定變形量。 目標溫度為880 ℃，應變速率為0.01 s-1，設定變形量為8 mm。 壓縮后，水冷淬火。 沿壓縮方向切開，隨后進行鑲嵌、金相砂紙打磨、拋光和腐蝕，腐蝕液配比為5 mL HF＋10 mL HNO3＋85 mL H2O，在光學顯微鏡下觀察不同區(qū)域的微觀組織并采用NanoMeasurer 軟件測量其中α 相晶粒尺寸。

圖1 雙圓錐臺試樣加工尺寸及外形圖

2 試驗結果與討論

2.1 建立TC18 鈦合金的本構方程

在不同變形條件下，TC18 鈦合金經(jīng)熱模擬壓縮試驗所得的真應力?真應變曲線如圖2 所示。 可見真應力?真應變曲線存在明顯峰值應力，試樣在熱壓縮過程中發(fā)生了動態(tài)再結晶［7-10］。

圖2 不同變形條件下TC18 鈦合金的真應力?真應變曲線

采用文獻［11］基于指數(shù)型本構關系?ε＝A1σn1和冪指數(shù)型本構關系?ε＝A2exp（βσ）提出的Arrhenius 雙曲正弦函數(shù)來建立TC18 鈦合金的本構方程：

式中?ε為應變速率，s-1；Q為變形激活能，J／mol；σ為流變應力，MPa；T為絕對溫度，K；R為摩爾氣體常數(shù)，R＝8.314 J／（mol·K）；A、A1、A2、n、n1、α和β均為與材料有關的常數(shù)。

分別對ln?ε?lnσ和ln?ε?σ進行一元線性回歸處理，擬合結果見圖3?？傻胣1＝5.191 94，β＝0.033 08 MPa-1，因此α＝β／n1＝0.006 371 MPa-1。

圖3 流變應力與應變速率的關系

作出ln?ε?ln［sinh（ασ）］和ln［sinh（ασ）］?T-1的線性回歸曲線如圖4 所示。 分別取兩條曲線斜率的平均值，算得變形激活能Q＝303.366 9 kJ／mol。

根據(jù)文獻［12］，材料在高溫下發(fā)生塑性變形時應變速率與溫度之間的關系可用參數(shù)Z表示：

式中Z為溫度補償應變速率因子。 對lnZ?ln［sinh（ασ）］進行一元線性回歸處理，如圖5 所示。 得到n＝3.767 81和A＝3.055 99×1013。

將上述求得的A，α，n和Q代入Arrhenius 函數(shù)模型，得到TC18 鈦合金熱壓縮變形時的本構方程為：

圖4 流變應力與應變速率、溫度的關系

圖5 lnZ?ln［sinh（ασ）］擬合直線

2.2 TC18 鈦合金雙圓錐臺試樣熱壓縮試驗有限元模擬

將熱模擬壓縮試驗所得本構方程導入有限元前處理過程［13-14］，通過Deform 3D 有限元模擬計算，得到溫度880 ℃、應變速率0.01 s-1熱壓縮條件下試樣截面的等效應變云圖如圖6 所示。 試樣中心與試樣端面應變量存在一定的梯度，從中心部位到邊緣應變量逐漸降低，熱壓縮后試樣心部到邊緣的應變值與其相對位置的關系曲線如圖7 所示。

圖8 為880 ℃、0.01 s-1條件下試驗與Deform 模擬所得力?位移曲線對比圖。 可見模擬值與試驗值的最大誤差約為12.5%，平均誤差在10%以內(nèi)。

圖6 等效應變云圖

圖7 雙圓錐臺試樣截面水平軸線上應變分布曲線

圖8 880 ℃、0.01 s-1下力?位移曲線試驗與有限元模擬對比

圖9 為TC18 在溫度880 ℃、應變速率0.01 s-1條件下熱壓縮至不同應變的金相圖。 由圖可知，不同應變程度下，試樣中α 相含量不同，TC18 鈦合金在熱壓縮過程中發(fā)生了相變。

圖10 為雙圓錐臺試樣縱截面選取的金相觀察區(qū)域，圖11 為雙圓錐臺形TC18 試樣在880 ℃、0.01 s-1壓縮條件下試樣截面不同區(qū)域的金相組織圖，其中（a）～（e）分別對應圖10 中的相應區(qū)域（下同）。 由圖可知，從邊緣到心部隨著應變量增加，α相含量不同。壓縮過程中，β 相發(fā)生了明顯的動態(tài)再結晶現(xiàn)象。

采用NanoMeasurer 軟件測量圖9 和圖11 金相組織中α相晶粒尺寸，并使用Origin2017 軟件繪制得到相應α相晶粒尺寸統(tǒng)計圖，如圖12～13 所示。

圖9 880 ℃、0.01 s-1不同應變下熱模擬金相組織

圖10 雙圓錐臺試樣縱截面金相觀察區(qū)域

圖11 880 ℃、0.01 s-1熱壓縮雙圓錐臺試樣截面不同區(qū)域金相

圖12 880 ℃、0.01 s-1不同應變下熱模擬組織中α 相晶粒尺寸統(tǒng)計圖

由圖12～13 可知，圓柱形試樣熱模擬壓縮后，在ε＝0.4，0.3 和0.2 應變下分別對應的α相平均晶粒尺寸約為2.52，2.36 和1.89 μm。 雙圓錐臺試樣熱壓縮后，截面（a）、（b）、（c）、（d）、（e）對應的α 相平均晶粒尺寸約為2.65，2.67，2.20，2.02 和1.70 μm。 對比可知，ε＝0.4 時圓柱形試樣熱壓縮組織與雙圓錐臺試樣截面區(qū)域（a）、（b）的組織較為相似，區(qū)域（a）、（b）模擬對應的應變范圍為0.42 ～0.75。ε＝0.3 時圓柱形試樣熱壓縮組織與雙圓錐臺試樣截面區(qū)域（c）的組織較為相似，區(qū)域（c）模擬對應的應變范圍為0.24 ～0.35。ε＝0.2 時圓柱形試樣熱壓縮組織與雙圓錐臺試樣區(qū)域（d）、（e）的組織較為相似，區(qū)域（d）、（e）模擬對應的應變范圍為0.07 ～0.18。 總的來說，雙圓錐臺試樣熱壓縮試驗的組織結果與相同變形條件下的圓柱形熱模擬試樣組織結果較為一致。

圖13 880 ℃、0.01 s-1熱壓縮雙圓錐臺試樣截面不同區(qū)域α 相晶粒尺寸統(tǒng)計圖

3 結 論

1） 通過熱模擬壓縮試驗獲得了TC18 鈦合金在790～900 ℃下的真應力?真應變曲線。 曲線有明顯峰值應力，試樣在熱壓縮過程中發(fā)生了動態(tài)再結晶，采用Arrhenius 函數(shù)模型建立了TC18 鈦合金的熱變形本構方程。

2） 在880 ℃、?ε＝0.01 s-1變形條件下，有限元模擬得到雙圓錐臺試樣截面應變呈梯度分布。

3） 雙圓錐臺試樣不同應變區(qū)域α 相晶粒尺寸與相同應變條件下圓柱形熱模擬試樣α 相晶粒尺寸較為一致，說明雙圓錐臺試樣熱變形有限元模擬所得應變分布結果較為準確，一個雙圓錐臺試樣上可以快速獲取多個不同應變條件的熱變形組織。