TC4鈦合金板材熱軋全流程溫度場(chǎng)研究

徐 森，孫靜娜，*，崔永軍

(1.燕山大學(xué) 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004；2.二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川 德陽(yáng) 618013)

0 引言

TC4合金作為一種典型的α-β型兩相鈦合金，密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕耐熱性能好，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等領(lǐng)域[1]。隨著越來(lái)越多的鈦產(chǎn)品涌入民用領(lǐng)域，TC4鈦合金開(kāi)始被廣泛研究。國(guó)內(nèi)多位學(xué)者通過(guò)高溫下TC4鈦合金的熱壓變形，研究了變形溫度及變形速率對(duì)材料流變應(yīng)力的影響，并結(jié)合微觀組織演變確定了材料最佳變形溫度及變形速率范圍[2-4]。寶鈦集團(tuán)、西部鈦業(yè)等鈦產(chǎn)品生產(chǎn)制造企業(yè)[5-6]采用不同的軋制工藝及熱處理工藝對(duì)TC4鈦合金板坯進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行金相分析和力學(xué)性能測(cè)試，探究了最優(yōu)軋制工藝。王?？〉热薣7]對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行鍛造熱塑性變形加工，然后進(jìn)行多火次換向熱軋變形，研究了其組織演變規(guī)律。徐勇等人[8]通過(guò)多道次軋制制備了高強(qiáng)度TC4鈦合金板材，比較分析了多道次換向軋制和單向軋制的TC4鈦合金室溫力學(xué)性能和微觀組織。目前研究多圍繞在TC4鈦合金熱變形特性研究及軋制工藝開(kāi)發(fā)方面，對(duì)于熱軋過(guò)程板坯溫度變化及其全流程溫度控制方面研究鮮有報(bào)道。

鈦合金軋制與常規(guī)鋼材軋制不同，其軋制溫度窗口窄，導(dǎo)熱性能差，若開(kāi)軋溫度過(guò)高或軋制變形過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致軋件心部溫度急劇升高，組織出現(xiàn)缺陷、塑性變差，導(dǎo)致軋制變形不均、板帶邊裂等問(wèn)題；軋制溫度過(guò)低，將導(dǎo)致軋制力過(guò)大，板形難以控制等問(wèn)題。此外，軋制溫度也直接影響軋制力模型的準(zhǔn)確性進(jìn)而影響軋件出口厚度精度。鈦合金板材熱軋生產(chǎn)目前仍依賴人工經(jīng)驗(yàn)，采用“邊看邊軋”方式，其自動(dòng)化程度相比先進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)具有很大差距[9]。因此，系統(tǒng)研究多道次熱軋過(guò)程鈦合金板材溫度變化及分布規(guī)律，變形及力能參數(shù)變化等對(duì)于實(shí)現(xiàn)鈦合金板材生產(chǎn)自動(dòng)化、提升產(chǎn)品良品率及生產(chǎn)效率至關(guān)重要。

本文采用MSC.Marc有限元軟件進(jìn)行TC4鈦合金板多道次熱軋全流程模擬，重點(diǎn)研究多道次軋制過(guò)程中軋件表面與心部溫度變化情況，分析軋件表面與心部溫差變化原因，為制定TC4鈦合金板合理熱軋工藝規(guī)程，實(shí)現(xiàn)鈦合金軋制生產(chǎn)自動(dòng)化提供理論依據(jù)。

1 多道次軋制過(guò)程有限元模型

將鈦合金板材熱軋過(guò)程視為對(duì)稱問(wèn)題，取二分之一進(jìn)行分析，建立如圖1所示平面軋制模型。由于軋件與軋輥間的接觸換熱主要發(fā)生在輥面，將工作輥設(shè)為可傳熱剛性空心輥[9]，經(jīng)模擬驗(yàn)證后設(shè)置空心輥厚度為50 mm，以縮短計(jì)算時(shí)間。軋件咬入依靠軋件后端一速度略低于工作輥線速度的剛性推板強(qiáng)迫推入輥縫，咬入后該剛體自動(dòng)被釋放，軋件在摩擦力的作用下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定軋制。

圖1 鈦合金板材多道次軋制過(guò)程二維有限元模型Fig.1 2D FE model of multi-pass hot rolling of TC4 plates

提取上一道次溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，作為下一道次各節(jié)點(diǎn)溫度初始條件輸入，實(shí)現(xiàn)鈦合金板材多道次熱軋過(guò)程溫度場(chǎng)的繼承。本文只針對(duì)軋件中部溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，故不考慮軋件頭尾溫差，軋件模擬長(zhǎng)度進(jìn)行了縮短處理，根據(jù)軋制速度、軋制長(zhǎng)度等工藝條件延長(zhǎng)各道次間隙空冷時(shí)間，補(bǔ)充由于截短軋件而減少的軋制時(shí)間。

軋制模擬過(guò)程基本參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)熱軋實(shí)驗(yàn)、空冷實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元模擬的方法[10]，確定了TC4軋件與軋輥接觸換熱系數(shù)為8 000 W·m-2·K-1、軋件與空氣對(duì)流換熱系數(shù)為120 W·m-2·K-1。TC4鈦合金材料熱物參數(shù)參照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行設(shè)置，見(jiàn)表2。流變應(yīng)力根據(jù)Gleeble-3800熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得的材料流變數(shù)據(jù)編制[12-13]。

表1 軋制模擬參數(shù)設(shè)置Tab.1 Table of rolling parameters settings

表2 TC4熱物參數(shù)Tab.2 Thermal parameters of TC4 alloy

軋制工藝制度采用某廠TC4鈦合金板軋制現(xiàn)場(chǎng)工藝數(shù)據(jù)，第一火次軋制分為8個(gè)道次，各道次軋制工藝參數(shù)見(jiàn)表3，原始板坯尺寸為150 mm(厚)×1 800 mm(長(zhǎng))×2 700 mm(寬)。針對(duì)該規(guī)程建立有限元模型進(jìn)行仿真模擬，分析一火次軋制中鈦合金板坯溫度分布及演變規(guī)律，并提取各道次軋制力與溫度的模擬結(jié)果，并與實(shí)際軋制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。

表3 TC4軋制工藝現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)Tab.3 TC4 rolling process data

2 結(jié)果及分析

2.1 溫度結(jié)果分析

鈦合金板軋制過(guò)程中對(duì)溫度控制要求較為嚴(yán)格，故本文重點(diǎn)研究軋件心部溫度與表面溫度變化情況。各道次軋后板坯厚度方向溫度場(chǎng)云圖分布如圖2。隨著軋制道次的進(jìn)行，鈦板坯溫降在厚度方向上逐漸由表面向心部推移，在板坯厚度較大時(shí)，表面溫度不斷降低，在第7，8道次由于軋件減薄內(nèi)部熱傳導(dǎo)占據(jù)主要作用，表面溫度小幅升高；而心部溫度經(jīng)8道次軋后變化不大。

軋后板坯表面和心部平均溫度變化如圖3。隨著軋制的進(jìn)行，在初始幾個(gè)道次軋件較厚時(shí)，表面與心部溫差不斷增大，到第6道次最大溫差達(dá)到120 ℃；而第7道次后軋件變薄，軋件內(nèi)部熱傳導(dǎo)占據(jù)主導(dǎo)地位，軋件整體溫度開(kāi)始趨于均勻，軋件表面溫度與心部溫度的溫差減小。

圖2 各道次軋后板坯厚度方向溫度場(chǎng)云圖Fig.2 Temperature field inthe slab thickness direction after rolled

圖3 軋后軋件表面與心部平均溫度變化情況Fig.3 Average temperature of the rolledpiece surface and core after every rolling pass

第一火次軋制全流程中軋件表面與心部溫度變化曲線如圖4所示。由于空冷、與軋輥接觸換熱溫降較大，且空冷速度約1 ℃/s，每道次由軋輥接觸換熱引起的溫降約20 ℃左右，表面溫度在軋制全流程中整體呈不斷降低的趨勢(shì)，至第8道次出軋制區(qū)后軋件表面溫度降至約850 ℃；軋件心部溫度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，溫升主要是由軋件內(nèi)部塑性變形熱量累積引起，至第5道次心部溫度最高約953 ℃，累計(jì)溫升約20 ℃，不同道次由于道次壓下率不同，由塑性功生熱引起的心部溫升在2～5 ℃范圍不等，且壓下率越大溫升越大。

圖4 軋制全流程軋件表面與心部溫度變化情況Fig.4 Surface and core temperature of the rolled piece during rolling process

在整個(gè)軋制過(guò)程中，軋件的溫度變化主要發(fā)生在軋制階段，此階段軋件除存在空冷、與軋輥間的接觸換熱等溫降因素外，還有軋件塑性變形生熱、軋件與軋輥摩擦生熱等溫升因素。故取各道次軋件表面與心部?jī)晌恢命c(diǎn)從進(jìn)軋制區(qū)到出軋制區(qū)的整個(gè)軋制階段的溫度變化曲線如圖5。

圖5 各道次軋制段軋件表面與心部溫度變化情況Fig.5 Surface and core temperature changes of the rolling stock in each pass rolling stage

由圖5可以看出在各軋制道次中，表面位置點(diǎn)在咬入瞬間，由于軋件和軋輥間的摩擦及塑性功生熱，存在3～12 ℃的溫升，這主要與各道次軋件與軋輥的接觸狀態(tài)有關(guān)，之后由于軋輥間接觸，表面溫度急速下降，溫降約為15～30 ℃，出軋制區(qū)后由于軋件自身熱傳導(dǎo)，又會(huì)有不同程度的“返紅”現(xiàn)象；而在變形區(qū)內(nèi)軋件心部溫度由于塑性功生熱而出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，其溫升情況主要取決于軋制壓下率，第8道次軋制壓下率最大為25.28%，其溫升達(dá)12 ℃。且前5道次間心部溫度為不斷累計(jì)溫升，到第6道次由于軋件減薄，軋件內(nèi)部開(kāi)始溫降，且由于軋件變長(zhǎng)、空冷時(shí)間增加，軋件整體溫度明顯下降。

2.2 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比

提取各道次軋件表面溫度與軋制力的模擬結(jié)果，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6，圖7所示。

圖6 軋件表面溫度模擬結(jié)果與工廠數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison of simulated and measured surface temperature

圖7 各道次軋制力結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of simulated and measured rolling force

由圖6可以看到不同道次下，模擬的表面溫度均高于實(shí)測(cè)的表面溫度，其原因?yàn)槟M開(kāi)軋溫度與實(shí)際開(kāi)軋溫度存在一定誤差，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)開(kāi)軋溫度數(shù)據(jù)。且由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中軋件表面溫度采用非接觸式測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果存在一定誤差，總體表面溫度模擬值與實(shí)測(cè)值吻合性高，誤差限在1.85%～5.47%之間。由軋制力模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖可知，模擬得到的各道次穩(wěn)定軋制力和實(shí)際測(cè)量的軋制力有相同的變化趨勢(shì)。最大誤差限在第2道次，為17.86%，模擬結(jié)果在可靠誤差范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

在鈦合金多道次軋制全流程中，隨著軋制道次的進(jìn)行，軋件表面溫度與心部溫度的溫差呈先增大后較小的變化趨勢(shì)，在第6道次軋件表面溫度與心部溫度的最大溫差可達(dá)120 ℃。表面溫差過(guò)大易形成較大熱應(yīng)力從而導(dǎo)致表面開(kāi)裂。

在各道次軋制時(shí)變形區(qū)內(nèi)軋件心部溫度均由于塑性功變形生熱而升高，且心部溫度在前5道次不斷溫升，累計(jì)溫升約20 ℃。所以在TC4鈦合金熱軋一火次階段，軋件厚度較大時(shí)應(yīng)控制道次壓下率不宜過(guò)大，一般不應(yīng)超過(guò)25%，以防板坯心部溫度越過(guò)相變點(diǎn)，塑性變差。

對(duì)比模擬得到的軋件表面溫度、各道次穩(wěn)定軋制力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表面溫度、軋制力發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明本文建立的TC4鈦合金板材多道次軋制有限元模型可靠，其分析結(jié)果對(duì)實(shí)際制定鈦合金多道次軋制工藝規(guī)程具有一定的指導(dǎo)意義。