鈦合金型材擠壓數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

孟凡玲，趙劍博，張志強，柏春光

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所 輕質(zhì)高強材料研究部，沈陽 110016)

鈦合金由于具有比強度高、耐熱性好和耐蝕性優(yōu)異等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、海洋船舶等領(lǐng)域[1]。鈦合金在加工過程中抵抗變形能力大，所需加熱溫度高，增加了鈦合金型材的生產(chǎn)難度，生產(chǎn)模具和工藝參數(shù)選擇不當(dāng)也會對型材最終成型效果造成極大影響，降低生產(chǎn)效率。目前鈦合金管材和棒材擠壓方面的研究較多并取得了一定成果[2]，而有關(guān)鈦合金型材擠壓過程方面的研究較少，加工技術(shù)也不成熟，相對而言，鋁合金和鎂合金等材料由于變形抗力低，型材擠壓過程更容易進行[3-4]。因此，對鈦合金型材擠壓過程進行更具體和深入的研究具有重要意義。

美國和俄羅斯等國家早在1950年就已經(jīng)開始了對鈦合金擠壓型材的研究[5]，并在航空航天和船舶領(lǐng)域上廣泛使用鈦合金擠壓型材，形成了比較完善的航空用鈦合金擠壓型材專業(yè)生產(chǎn)規(guī)范和質(zhì)量控制標(biāo)準體系[6]。俄羅斯VSMPO-AVISMA公司、美國RTI國際金屬公司和ATI公司[7]以及日本神戶制鋼、住友公司的鈦合金擠壓型材生產(chǎn)水平均處于世界前列，我國鈦合金擠壓型材研究較晚，在高質(zhì)量鈦合金型材上多以進口為主。為解決發(fā)達國家對我國航空用鈦合金型材的限制，寶鈦公司聯(lián)合中國科學(xué)院金屬研究所和北京有色金屬研究總院針對鈦合金型材擠壓技術(shù)進行研究[8]，取得了一定成果，但在擠壓后型材質(zhì)量以及生產(chǎn)效率等方面與其他國家仍存在差距。

設(shè)計人員在研究鈦合金型材擠壓過程時，通常根據(jù)自己的生產(chǎn)經(jīng)驗，對擠壓模具和工藝參數(shù)不斷修改嘗試以達到型材質(zhì)量的要求[9]，但僅憑試驗試錯的方法往往很難找到問題的根本原因，并且會降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。近年來，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和運算速度的提高，數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，成為解決工程設(shè)計領(lǐng)域問題的有效方法[10]。已有學(xué)者將數(shù)值模擬與鈦合金型材擠壓技術(shù)相結(jié)合，對鈦合金型材擠壓模具和工藝進行研究，通過數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)、縮短模具設(shè)計時間，在初始設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在問題、選取最優(yōu)設(shè)計方案，達到降低材料成本、提高生產(chǎn)效率的目的[11-14]。本文對國內(nèi)外鈦合金擠壓數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，系統(tǒng)介紹模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對鈦合金擠壓過程的影響規(guī)律，闡述數(shù)值模擬技術(shù)在擠壓過程微觀組織演變中的應(yīng)用，為鈦合金擠壓型材的生產(chǎn)與發(fā)展提供參考。

1 鈦合金擠壓過程與數(shù)值模擬技術(shù)

根據(jù)模具種類和工藝參數(shù)的不同，擠壓生產(chǎn)方法有多種分類，通常按照擠壓時金屬的流出方向與擠壓軸運動的方向不同分為正擠壓法、反擠壓法等。其中正擠壓法技術(shù)最為成熟，是鈦合金型材生產(chǎn)的主要方法；反擠壓法相比于正擠壓法可以實現(xiàn)更大的變形，適用于擠壓變形抗力較大的鈦合金，但反擠壓操作較為復(fù)雜且技術(shù)尚未成熟。圖1為鈦合金型材正反擠壓過程的示意圖[15]。鈦合金型材的種類有很多，目前我國常用的TC4、TA15等鈦合金均可通過擠壓法生產(chǎn)出簡單截面型材[15]，但復(fù)雜截面型材，尤其是薄壁型材的生產(chǎn)仍需進一步研究。

圖1 鈦合金型材擠壓過程示意圖

與其他加工方法相比，擠壓過程中鈦合金的應(yīng)變和應(yīng)變速率更高，可以充分發(fā)揮材料的塑性，獲得較大的變形量[16]。目前有許多有限元軟件被用來模擬鈦合金擠壓成型過程，包括Deform-3D、Simufact forming、HyperXtrude、MSC/Marc及Abaqus等[17]。鈦合金擠壓過程數(shù)值模擬一般分為五個步驟[18]，即創(chuàng)建幾何模型、建立數(shù)值分析模型、施加載荷、前處理計算及后處理結(jié)果。同時模擬擠壓成型過程時需注意以下問題[19]。

(1)溫度在鈦合金擠壓成型過程中起重要作用。擠壓過程中溫度的變化主要由于材料變形和摩擦引起。為保證模擬結(jié)果的準確性，計算時不僅要關(guān)注型材的變形情況，還要考慮擠壓過程中的熱力耦合作用。隨著擠壓過程的進行，型材溫度會逐漸升高，由于溫度的變化可能導(dǎo)致金屬在相變溫度范圍內(nèi)發(fā)生變形，微觀組織也會發(fā)生變化，模擬計算時間增加，計算精度降低。

(2)擠壓過程中鈦合金型材在擠壓桿與模具的相互作用下發(fā)生變形，擠壓載荷沒有確切的數(shù)值，而始終處于變化階段。因為擠壓模具配合較為復(fù)雜，如何處理好坯料與復(fù)雜模具型面之間的摩擦和接觸傳熱問題，成為有限元模擬計算的難點之一。

2 數(shù)值模擬在鈦合金擠壓模具設(shè)計中的應(yīng)用

擠壓模具不僅可以提供型材所需要的截面形狀和尺寸，保證制品精度，同時也可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化達到預(yù)防型材截面發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等問題，提高型材質(zhì)量和穩(wěn)定性。設(shè)計合理的擠壓模具結(jié)構(gòu)不僅可以增加模具的使用壽命，降低原材料的消耗，提高生產(chǎn)效率，還可以控制擠壓后型材的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[20]。圖2為鈦合金型材擠壓模具示意圖[21]，其結(jié)構(gòu)主要包括擠壓桿、擠壓墊、擠壓筒和擠壓模等。

圖2 鈦合金型材擠壓模具示意圖

實際工廠生產(chǎn)鈦合金型材的模具結(jié)構(gòu)大多依靠研究人員的經(jīng)驗來設(shè)計，缺乏理論指導(dǎo)，往往會進行反復(fù)修模試模甚至導(dǎo)致模具報廢，既無法保證擠壓后型材制品的質(zhì)量，也降低了生產(chǎn)效率[22]。近年來，許多學(xué)者利用數(shù)值模擬技術(shù)研究擠壓模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對鈦合金型材擠壓過程的影響規(guī)律，主要研究的模具參數(shù)有以下幾種。

(1)模具入口倒角

入口倒角是模具工作面與工作帶形成的端面角，有圓角和斜角兩種形式。模具入口倒角的形狀和尺寸會影響擠壓過程中坯料進入模具時的流動阻力和流動形式[23]。增大入口倒角的尺寸即增大了坯料與模具的接觸面積，導(dǎo)致擠壓時坯料受到的阻力增加，但流入?？椎呐髁弦搽S之增加，能夠使坯料更好地沿著擠壓方向流動。

Damodaran D等[24]為研究鈦合金熱擠壓過程中的變形情況，使用Deform -2D軟件建立了包含感應(yīng)加熱、鋼坯傳遞、玻璃潤滑和金屬流動的有限元模型，指出變形量是模具設(shè)計、玻璃潤滑和擠壓條件之間復(fù)雜的相互作用結(jié)果，研究了鈦合金型材擠壓模具入口倒角對型材的影響。結(jié)果表明，模具結(jié)構(gòu)對擠壓后型材尺寸和精度有很大影響，通過調(diào)整模具入口倒角可以改變出口處型材的流動方向，使出口金屬流速均勻，型材尺寸形狀更符合要求，并通過實際擠壓實驗證明了數(shù)值模擬分析的有效性。Lu X等[25]采用有限元法對鈦合金擠壓過程建模，評估了模具圓角半徑分別為2mm、6mm和10mm時型腔的熱機械載荷。結(jié)果表明，在實際擠壓過程中，擠壓模具過渡圓角處是高溫和高機械載荷反復(fù)作用下的主要損傷區(qū)，最大損傷區(qū)位于分型面右邊緣，其中過渡圓角半徑的增大是擠壓件尺寸超出公差的直接原因。

(2)型材位置

型材位置主要通過調(diào)節(jié)型材型心與模具圓心位置來確定[26]，模具中心流速快，邊緣流速慢，選擇合適的型材位置對減少金屬流動的不均勻性有很大影響，對于結(jié)構(gòu)對稱性好的型材，可將型心移至與模具圓心重合的位置。王俊琪等[27]通過調(diào)整模孔尺寸和?？孜恢脤C4鈦合金“H”形型材擠壓模具進行優(yōu)化設(shè)計，得到了質(zhì)量和性能較好的擠壓制品。

(3)工作帶長度

工作帶是獲得型材尺寸和保證制品質(zhì)量的關(guān)鍵部分。設(shè)計模具時工作帶的長短會直接影響擠壓型材的質(zhì)量。工作帶過短，模具易發(fā)生磨損，無法保證型材形狀；工作帶過長，模具容易粘黏坯料，使型材表面產(chǎn)生缺陷，因此，擠壓過程模擬時應(yīng)合理選擇工作帶長度[28]。模具設(shè)計時可以在出口金屬流速快的位置適當(dāng)增加工作帶長度，使此處所受的摩擦力增大，坯料所受的擠壓力增大，迫使金屬向阻力小的位置充填，達到型材整體出口速度均勻、型材質(zhì)量更好的目的[29]。因此，對于壁厚不相同的型材，可以首先從工作帶處進行調(diào)整。型材的壁厚越小，金屬不易流動，工作帶應(yīng)越短。在模擬計算時，可以先根據(jù)經(jīng)驗給出型材壁厚最薄處的工作帶長度，再依次計算出其他位置的工作帶長度，鈦合金型材擠壓時常用的工作帶長度為20～30mm[30]。

隨著我國對鈦合金擠壓型材需求的不斷提高，擠壓模具的數(shù)字化設(shè)計和加工制造技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。通過綜合利用三維建模、數(shù)值計算、過程仿真、數(shù)控加工等技術(shù)，可實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)、尺寸的優(yōu)化設(shè)計和無紙化精確制造，即不需要試模、修模等過程，直接制造出能生產(chǎn)合格型材產(chǎn)品的模具[31]。

3 數(shù)值模擬在鈦合金擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用

鈦合金擠壓是個非常復(fù)雜的過程，影響金屬成型效果的工藝參數(shù)主要有擠壓溫度、擠壓速度、擠壓比、摩擦系數(shù)等[32]。圖3為不同工藝參數(shù)在鈦合金型材擠壓過程中對型材制品缺陷的影響[33]。

圖3 鈦合金型材擠壓工藝參數(shù)對制品缺陷的影響

由圖3可見，各參數(shù)對擠壓后型材的質(zhì)量影響很復(fù)雜，確定擠壓工藝時要滿足模具具有滿意壽命的前提下，制定合理的工藝參數(shù)和制造流程[34]。

3.1 擠壓溫度

對于鈦合金擠壓過程，隨著擠壓溫度的提高，出口金屬流動不均勻性會加劇。但為使鈦合金在較小擠壓力下即可實現(xiàn)快速擠壓，應(yīng)在保證產(chǎn)品質(zhì)量與性能的條件下，盡可能提高擠壓溫度[35]。金屬流動動力學(xué)研究表明，在對應(yīng)于不同合金、不同相狀態(tài)的溫度區(qū)中，金屬的流動行為差異較大[36]。因此，擠壓溫度是影響鈦合金擠壓過程中金屬流動性的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金在α或α+β相區(qū)擠壓時的金屬流動性比在β相區(qū)擠壓時更均勻[37]，鈦合金擠壓時應(yīng)保證在β相轉(zhuǎn)變溫度以下進行，如TC6和TC2等鈦合金不宜在900℃以上溫度擠壓，TA7則不宜在950℃以上溫度擠壓。

文獻[38-39]采用Deform軟件對TC4鈦合金進行了熱力耦合分析，選擇不同擠壓溫度下的本構(gòu)模型和摩擦條件。研究結(jié)果表明，鈦合金擠壓過程中熱效應(yīng)顯著，溫度的升高主要發(fā)生在擠壓初期，由于擠壓剛開始進行，坯料來不及散熱，與模具發(fā)生劇烈摩擦導(dǎo)致溫度升高，同時坯料的溫升隨預(yù)熱溫度的增大而增大。通過與實際擠壓力比較，證明了模擬結(jié)果的可靠性。Zhang C等[40]使用Abaqus軟件對Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V擠壓厚壁型材熱拉彎工藝進行有限元模擬。結(jié)果表明，初始擠壓溫度對鈦合金擠壓型材的流變應(yīng)力行為有顯著影響，當(dāng)擠壓溫度由923K提高到1023K時，最大應(yīng)力從342MPa降至239MPa，擠出后型材形狀更好。

3.2 擠壓速度

擠壓速度與擠壓溫度一樣，主要通過改變擠壓過程中金屬的熱平衡進而影響鈦合金的力學(xué)性能、金屬流動的均勻性、變形抗力、熱效應(yīng)以及微觀組織變化[41-42]。選擇擠壓速度時通常要考慮材料的狀態(tài)、加熱溫度、潤滑等條件。擠壓速度低，擠壓過程中鈦合金與模具、擠壓筒接觸時間較長，熱量損失較多，導(dǎo)致擠壓末端坯料溫度過低，出現(xiàn)加工組織；擠壓速度高，相應(yīng)地鈦合金變形速率高，有利于擠壓過程的進行；當(dāng)擠壓速度增加到一定程度時，坯料與模具接觸時間過短，變形和摩擦產(chǎn)生的熱量無法傳遞，導(dǎo)致模具內(nèi)溫度過高，嚴重影響模具使用壽命，隨著坯料的流變應(yīng)力提高，還會增加鈦合金變形的不均勻性，導(dǎo)致擠壓后型材出現(xiàn)裂紋等缺陷[43]。因此，在擠壓過程中應(yīng)嚴格控制擠壓速度。實際生產(chǎn)中擠壓速度應(yīng)控制在較低的范圍內(nèi)，只有當(dāng)擠壓溫度較低時才允許提高擠壓速度。鈦合金擠壓時通常選用80～130mm/s的中等速度進行擠壓。由于擠壓過程中坯料溫度遠高于模具溫度，會有部分熱量通過熱交換的方式傳遞到模具中，有研究表明當(dāng)鈦合金擠壓速度超過25mm/s時，可以忽略坯料與模具接觸傳遞的熱量[44]。高妍等[45]對TC4鈦合金L形型材的擠壓過程進行模擬，研究了擠壓速度對成型效果的影響。結(jié)果表明，擠壓速度對擠壓過程中應(yīng)力應(yīng)變的分布有明顯影響，但過大的擠壓速度可能會導(dǎo)致型材出現(xiàn)缺陷，并進一步通過微觀組織對比觀察驗證了模擬結(jié)果的準確性。

3.3 擠壓比

擠壓比的大小對擠壓型材的組織、性能、生產(chǎn)效率都有很大影響。擠壓比通過影響鈦合金的熱成形能力進而影響擠壓過程能否順利進行。合適的擠壓比不僅有利于保證擠壓型材的質(zhì)量和性能，而且還可以提高成品率和生產(chǎn)效率[46]。根據(jù)鈦合金型材的加工特點和工藝性能，擠壓比通常在3～30范圍內(nèi)選擇[47]。一般來說，擠壓比越大，越易獲得變形均勻和力學(xué)性能優(yōu)良的型材，但擠壓比過大會導(dǎo)致金屬流動阻力增大，金屬很難流出模孔，嚴重時可能導(dǎo)致“憋車”，進而對擠壓設(shè)備和擠壓模具造成損壞。模擬計算時，擠壓筒的規(guī)格、擠壓合金的強度、預(yù)加工型材的尺寸以及擠壓機的噸位等都會影響擠壓比的選擇。Si J Y等[48]使用有限元Deform-3D軟件模擬了TiAl坯料在錐形模的擠壓過程。結(jié)果表明，擠壓比越大，有效應(yīng)變越大，最大有效應(yīng)變是在坯料剛從模具口流出時產(chǎn)生的。當(dāng)擠壓比從3增加到6時，有效應(yīng)變從2.30增加到4.92，擠壓后錐形型材表面質(zhì)量更好。

3.4 摩擦與潤滑

由于鈦合金擠壓加工變形初期和變形后期的非穩(wěn)態(tài)金屬流動，在數(shù)值模擬中摩擦邊界條件的設(shè)置是影響擠壓模擬精度的關(guān)鍵因素[49]。擠壓過程中鈦合金在擠壓筒內(nèi)壁和模具表面之間是剪切變形，屬于黏著摩擦，一般采用剪切摩擦模型；而和工作帶表面接觸的鈦合金已不產(chǎn)生變形，其與工作帶表面之間應(yīng)屬于滑動摩擦，一般采用庫倫摩擦模型[50]。鈦合金具有嚴重的因摩擦而粘結(jié)的特性，故潤滑特別重要，潤滑不合理不僅會使鈦合金粘附在擠壓模上，還會引起擠壓模的快速磨損[51]。鈦合金擠壓時通常采用玻璃潤滑劑，玻璃潤滑劑導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱性能好，加熱時可以粘黏在坯料表面起到保護和潤滑作用，擠壓時可以將接觸表面的干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔缒Σ粒@樣不僅有利于金屬均勻流動，還可減少因摩擦而造成的能量損耗，從而提高擠壓后型材的質(zhì)量，增加模具的使用壽命。模擬時為簡化計算可以通過調(diào)整摩擦系數(shù)大小模擬潤滑劑的添加[52]，達到提高擠壓型材質(zhì)量的目的。表1為常用鈦合金型材的擠壓參數(shù)及潤滑方式[37]。

表1 常用鈦合金型材的擠壓參數(shù)及潤滑方式

張偉紅等[34]利用Deform-2D有限元軟件對NiTiNb合金管件高速率正擠壓過程進行了模擬分析，研究了不同工藝參數(shù)對擠壓過程變形熱效應(yīng)影響，總結(jié)了高速率熱擠壓過程的特點。徐哲等[53]研究了玻璃潤滑劑在鈦合金型材擠壓中的應(yīng)用。結(jié)果表明選擇玻璃作為潤滑劑主要依靠其高溫軟化和流動性能，擠壓過程中玻璃墊對擠壓模具起到了很好的隔熱﹑保護作用。柏春光等[54]通過有限元模擬對鈦合金型材擠壓過程中的玻璃潤滑工藝參數(shù)進行分析，研究了其對體系溫度分布和變形的影響，并針對不同流動特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計的玻璃防護涂層、滾涂玻璃粉和玻璃墊對鈦合金型材擠壓制品潤滑狀態(tài)進行模擬，預(yù)測出擠壓過程中玻璃潤滑膜的溫度分布和黏度變化規(guī)律，并提出玻璃潤滑工藝的改進方案。

4 數(shù)值模擬在鈦合金擠壓過程組織演變分析中的應(yīng)用

鈦合金的性能主要取決于組織組成物，而擠壓后的鈦合金組織不但取決于相變過程，更與整個擠壓過程有關(guān)，同時后續(xù)的熱處理工藝也會改變鈦合金的組織形態(tài)[55]。鈦合金顯微組織的特征是極其多樣化，這是由于大多數(shù)鈦合金屬于多相合金系統(tǒng)，當(dāng)改變變形和熱處理條件時，各組織組成的形貌會發(fā)生很大變化。鈦合金擠壓后的微觀組織直接影響到型材的強度、塑性、韌性、耐腐蝕性及其他性能[56]，通過對擠壓過程和微觀組織演變的控制，可以獲得高質(zhì)量的制品。

由于擠壓技術(shù)和實驗條件的限制，人們對鈦合金在擠壓變形時微觀組織演變一直停留在傳統(tǒng)的理論研究和實驗研究中，無法觀察到微觀組織連續(xù)的變化過程。因而，對鈦合金擠壓過程組織演變進行數(shù)值模擬，動態(tài)跟蹤組織演變的每個過程，對預(yù)測組織變化、優(yōu)化工藝參數(shù)和控制產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

目前常用的組織演變模擬方法有蒙特卡羅波茨模型法、元胞自動機法、幾何模型法、相場理論模型法、結(jié)合微觀組織的有限元方法等[57]。擠壓過程中微觀組織演變的數(shù)學(xué)模型主要包括3個模塊，即動態(tài)再結(jié)晶模型、靜態(tài)再結(jié)晶模型和晶粒長大模型。對于同一材料，演變過程主要取決于溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率；對于不同材料，有不同的微觀組織演變模型，比較常用的有Sellars模型、Yada模型等。計算時將微觀組織模型與熱力耦合有限元模型相結(jié)合，通過有限元方法計算得到溫度場、應(yīng)變場和應(yīng)變速率場的分布，再由微觀組織模型求解得到晶粒演變過程的尺寸變化與分布情況[58]。

李洪波等[59]在熱壓縮實驗的基礎(chǔ)上，建立了TC4鈦合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程和動態(tài)再結(jié)晶模型，并利用DEFORM-3D有限元軟件對反擠壓成形時的動態(tài)再結(jié)晶百分數(shù)及晶粒尺寸分布進行了研究，與擠壓后的金相組織圖對比發(fā)現(xiàn)，實驗和模擬得到的晶粒尺寸基本吻合，誤差在20%左右，說明了該模型可以反映出TC4鈦合金的熱變形規(guī)律。余新平等[60]采用元胞自動機法模擬了Ti-1023鈦合金擠壓過程的微觀組織演變規(guī)律。結(jié)果表明，隨著擠壓變形量的增加，合金在穩(wěn)定擠壓階段發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒細化，在相同擠壓變形量下，隨著擠壓速度的增加，平均晶粒尺寸變小。Ti-1023合金熱擠壓變形過程微觀組織模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。此外還有學(xué)者利用有限元軟件對擠壓過程中鈦合金的微觀組織變化進行模擬[61-62]，并與實際實驗得到的微觀組織對比觀察，獲得了擠壓過程中應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度變化對顯微組織的影響規(guī)律。

圖4 不同擠壓進程下Ti-1023合金微觀組織模擬結(jié)果

圖5 不同擠壓速度下Ti-1023合金微觀組織模擬結(jié)果

當(dāng)前對擠壓過程組織模擬研究主要集中在鋁合金和鎂合金中，鈦合金組織模擬仍處于初級階段，尚沒有模型能夠理想地表征出鈦合金在擠壓過程中的組織演變規(guī)律。由于實驗條件的限制，本構(gòu)方程總是會存在誤差，根據(jù)實驗條件對本構(gòu)方程進行修正，使其更符合實際，將成為一個發(fā)展方向。此外，本構(gòu)方程還可以與晶粒尺寸、晶體取向、殘余應(yīng)力建立聯(lián)系，即將微觀組織與宏觀變形行為結(jié)合起來，對鈦合金擠壓過程進行更深入的分析研究。未來研究會聚焦于鈦合金擠壓組織演變本構(gòu)模型的建立，并進行多尺度全流程仿真，使數(shù)值模擬結(jié)果更好地指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

此外，在擠壓過程的理論研究方面，Shin T J等[63]基于有限元方法對鈦合金擠壓成型過程進行模擬研究，揭示了溫度對流動應(yīng)力的影響規(guī)律，提出了改進后的Cockroft-Latham斷裂準則，可作為鈦合金成型缺陷控制的工藝優(yōu)化依據(jù)，達到優(yōu)化工藝參數(shù)、減少原材料消耗的目的，并通過與實驗比較，證明了該方法的有效性。何鐵寧等[64]在保證擠壓過程熱力耦合效應(yīng)的前提下，利用剛黏塑性有限元方法，對鈦合金薄壁零件擠壓成型過程進行了模擬，并分析了成型過程中產(chǎn)生缺陷的部位和原因，結(jié)果表明，等效應(yīng)力最大區(qū)域發(fā)生在擠壓桿與坯料接觸的部分。

5 結(jié)語與展望

通過數(shù)值模擬技術(shù)分析研究鈦合金型材擠壓過程，從設(shè)計擠壓模具、優(yōu)化擠壓工藝參數(shù)兩方面出發(fā)，揭示擠壓過程中鈦合金的流動規(guī)律以及擠壓后型材微觀組織的變化規(guī)律，研究不同結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)對擠壓成型過程的影響，由此達到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、控制擠壓后鈦合金型材產(chǎn)品質(zhì)量的目的，并為實際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

與其他傳統(tǒng)加工方法一樣，從基礎(chǔ)模具設(shè)計優(yōu)化和工藝參數(shù)的選擇，到生產(chǎn)效率的提高、原材料成本的降低和擠壓型材質(zhì)量的提高，鈦合金型材擠壓理論與技術(shù)仍處于不斷發(fā)展之中。鈦合金擠壓數(shù)值模擬領(lǐng)域未來的主要發(fā)展方向有以下幾個方面。

(1)鈦合金擠壓模具入口倒角、型材位置和工作帶等參數(shù)的優(yōu)化常常是根據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗進行修改，需盡快形成鈦合金型材擠壓模具的設(shè)計規(guī)范。

(2)鈦合金擠壓過程中邊界條件的非線性、時變性特點對金屬流動和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響，應(yīng)建立包含潤滑劑在內(nèi)的擠壓模型，進一步研究鈦合金擠壓過程中的摩擦行為。

(3)數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)與實際鈦合金擠壓型材生產(chǎn)相結(jié)合，對鈦合金擠壓過程進行更加準確高效的模擬分析。通過數(shù)值模擬指導(dǎo)實驗，預(yù)測型材的形狀甚至微觀組織的變化，同時通過實驗驗證模擬結(jié)果的準確性，達到提高型材質(zhì)量和生產(chǎn)效率的目的。