TC4鈦合金鍛件鍛造工藝參數(shù)的分析及優(yōu)化

鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕性等 優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、艦船和核電等工業(yè)領(lǐng) 域得到廣泛的應(yīng)用冋。隨著塑性成形加工技術(shù)的不 斷發(fā)展，市場對鍛件產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高，了解和 掌握生產(chǎn)加工工藝對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并通過控制 工藝參數(shù)來提高產(chǎn)品質(zhì)量是非常重要的。其中，鍛 造是塑性變形中的一種代表性工藝，通過對鍛件進(jìn) 行反復(fù)的徹粗拔長使鍛件產(chǎn)生較大的變形、累積較 大應(yīng)變，主要目的是細(xì)化晶粒、消除鍛件內(nèi)部缺陷、 提高鍛件性能，總體上使合金材料的組織性能得到 改善,并且鍛件的內(nèi)部組織、力學(xué)性能和服役壽命均超過了鑄件然而鍛件在鍛造過程中容易產(chǎn)生裂 紋并影響鍛件的合格率，而損傷值的大小是衡量鍛 件塑性變形過程中裂紋出現(xiàn)幾率的指標(biāo)，當(dāng)鍛件損傷值達(dá)到臨界值時裂紋萌生。因此，了解不同鍛造工 藝參數(shù)下的損傷值,對保證鍛件成形質(zhì)量、提升鍛件 在服役期間的可靠性具有重要意義。

實(shí)際鍛造加工過程較為復(fù)雜且對于鍛件的變形 參數(shù)和性能之間的關(guān)系是難以直接測試和表征的， 通過有限元數(shù)值模擬可以對復(fù)雜的鍛造過程中損傷 值進(jìn)行有效分析冋,在節(jié)省財力和物力的同時，也揭示了在不同的變形速率、變形溫度、打擊次數(shù)下鍛件 損傷值的大小，并通過正交試驗(yàn)對鍛造工藝參數(shù)進(jìn) 行優(yōu)化。綜合考慮不同鍛造工藝參數(shù)對鍛件損傷值 影響的顯著度，獲得一組較優(yōu)的工藝參數(shù)組，為TC4鈦合金在鍛造生產(chǎn)過程中提高鍛件質(zhì)量、設(shè)備整體 服役壽命提供理論依據(jù)。

1、鈦合金鍛件仿真模型建立

利用Deform-3D有限元仿真軟件對TC4鈦合金多次鍛造變形過程進(jìn)行仿真。建立有限元模擬時所需坯料和模具的三維模型如圖1所示，其中坯料的尺寸為100mmx50mmx80mm與實(shí)際鍛件鍛造尺寸保持一致，上下模具為鍛造設(shè)備試驗(yàn)簡化后的錘頭和砧板。

根據(jù)鍛造生產(chǎn)過程中變形速率、變形溫度、變形量等因素對鍛件損傷值的影響，設(shè)置鍛造工藝參數(shù)為變形溫度925、950、975、1000、1025°C,變形速率0.2、2、20、200mm/s,變形量 30%、40%、50%、60%、70%。

2、TC4鈦合金有限元仿真結(jié)果分析

2.1 工藝參數(shù)對鍛件損傷值的影響

(1)變形速率對鍛件損傷值的影響。在鍛造溫度為1000°C,總變形量為50%的鍛造工藝參數(shù)下，分別分析了變形速率為0.2、2、20、200mm/s時鍛件的損傷值。不同變形速率下TC4鈦合金損傷值云圖如圖2所示。不同變形速率下TC4的最大損傷值如圖3所示。從圖2、3可以看出，在變形速率為0.2mm/s時,TC4鈦合金鍛件的損傷值分布比較均勻，且最大值為0.0524；變形速率為2mm/s時,TC4鈦合金鍛件最大損失值為1.43；變形速率為20mm/s,TC4鈦合金鍛件的損傷值基本分布在兩側(cè)變形較大部分，且損傷值最大為1.17；變形速率為200mm/s,TC4鈦合金鍛件的損傷值分布情況在兩側(cè)變形較大位置，且最大值為0.652。

在變形速率0.2?2mm/s時，隨著變形速率的增加,TC4鈦合金鍛件的損傷值快速增加，且在變形速率為2mm/s時鍛件的損傷值最大。變形速率在2~200mm/s時,TC4鈦合金鍛件的最大損傷值而降低。因此，在溫度和變形量一定的情況下，變形速率在一定范圍內(nèi)低于或者高于2mm/s都有助于減小鍛件損傷值，有助于防止鍛件岀現(xiàn)開裂現(xiàn)象的同時提高鍛件的質(zhì)量。

(2) 變形溫度對鍛件損傷值的影響。實(shí)際鍛造時的打擊速率與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，選擇鍛造過程中的變形速率為200mm/s,變形量為50%,作為初始條件，分析不同溫度對TC4鈦合金鍛件損傷最大值的影響，如圖4所示。可以看出，隨著鍛造溫度的增加最大損傷值在逐漸減小，并且在925 °C時取得最大值。在變形速率、變形量相同下，提高鍛造變形溫度有助于降低TC4鈦合金鍛件在鍛造過程中的損傷值,減小鍛造過程中鍛件出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，從而提高鍛件成形品質(zhì)量。

(3) 變形量對鍛件損傷值的影響。當(dāng)鍛造溫度為1000 °C、變形速率為200mm/s時分析了變形量為30%、40%、50%、60%、70%的鍛件最大損傷值。不同變形量對TC4鈦合金鍛件損傷值的影響如圖5所示。從圖中可以看出，TC4鈦合金鍛件最大損傷值隨著變形量的增加而增加，因?yàn)殄懠?jīng)過加熱和高溫保溫后金屬之間的流動性增強(qiáng)，在受到外力作用時，金屬變形向兩邊流動，但鼓肚現(xiàn)象不明顯，隨著變形量的增加，鼓肚現(xiàn)象愈加明顯，鍛件所承受的變形抗力也逐漸增加。為了防止在鍛造過程中損傷值較大，鍛件開裂現(xiàn)象的產(chǎn)生,在其他條件相同的情況下盡量采用小變形鍛造。

2.2基于正交試驗(yàn)的TC4鈦合金工藝參數(shù)優(yōu)化

正交試驗(yàn)是基于最優(yōu)理論方法對多因素問題進(jìn)行尋優(yōu)的一種方法，有以下幾種特征:①利用方差分析法，獲得各因素對影響目標(biāo)的貢獻(xiàn)率，利用極差分析對方差分析的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),提高數(shù)據(jù)的可靠性;②對試驗(yàn)中各因素有無交互作用進(jìn)行確定；③通過正交試驗(yàn)中的模擬數(shù)據(jù)，得到因素水平組合的計(jì)算結(jié)果。

通過正交試驗(yàn)法將鍛件在不同鍛造工藝參數(shù)下模擬得到的最大損傷值進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合方差分析和極差分析確定變形溫度、變形速率及變形量對鍛件質(zhì)量影響的顯著程度，并通過方差分析不同鍛造工藝參數(shù)對鍛件指標(biāo)的影響的顯著程度和貢獻(xiàn)率，最終獲得較優(yōu)的鍛造工藝參數(shù)組，為TC4鈦合金鍛件實(shí)際鍛造工藝參數(shù)的選取提供依據(jù)。

(1)鈦合金鍛件影響因素的預(yù)測模型。在鍛造變形的過程中，影響TC4鈦合金鍛件損傷值的主要鍛造工藝參數(shù)是變形溫度、變形速率和變形量。鍛造工藝參數(shù)及水平如表1所示，表明正交試驗(yàn)法中主要影響因素是變形溫度、變形速率和變形量，并且每個影響因素設(shè)置5個不同的參數(shù)水平。

在正交試驗(yàn)法中，不考慮鍛造工藝參數(shù)之間的交互作用，選擇厶25(56)的正交試驗(yàn)表，數(shù)值模擬分析TC4鈦合金鍛造過程中不同鍛造工藝參數(shù)對鍛件質(zhì)量的影響，并以鍛件的損傷值作為試驗(yàn)的指標(biāo),具體的正交試驗(yàn)方案如表2所示。

(2) 極差分析。正交試驗(yàn)法中不同鍛造工藝參數(shù)在不同水平組合下鍛件最大損傷值的影響進(jìn)行極差分析，如表3所示。從表3中對比變形溫度、變形速率、變形量所對應(yīng)的極差值R,得出鍛造工藝參數(shù)對TC4鈦合金鍛件損傷值的影響程度，其中，變形速率〉變形量〉變形溫度。結(jié)合鍛造試驗(yàn)中鍛造溫度對TC4鈦合金力學(xué)性能的影響，得到鍛造溫度為925 °C時,TC4鈦合金的損傷值最小，綜合考慮實(shí)際鍛造過程中鍛件的性能與正交優(yōu)化的結(jié)果相結(jié)合得到較優(yōu)的工藝參數(shù)組為：變形溫度925 °C,變形速率1000mm/s,變形量 70%。

(3) 方差分析。方差分析法是分析影響因素顯著性水平的方法。為進(jìn)一步確定工藝參數(shù)對TC4鈦合金鍛件性能的顯著性影響，可以通過方差對正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并得出TC4鈦合金鍛件損傷值的顯著性如表4所示?？梢钥闯鲥懺熳冃芜^程鍛造工藝參數(shù)中變形速率對鍛件質(zhì)量的影響貢獻(xiàn)率最大,進(jìn)一步確定了變形速率是確定鍛件性能的關(guān)鍵。

3、結(jié)論

(1) 在變形溫度1000 °C和變形量50%時，變形速率低于或者高于2mm/s都有助于減小鍛件損傷值，提高鍛件質(zhì)量。

(2) 在變形溫度925 °C ,變形速率1000 mm/s,變形量70%時鍛件質(zhì)量良好。

(3) TC4鈦合金鍛件鍛造變形過程中各個鍛造工藝參數(shù)對鍛件最大損傷的影響依次為變形速率＞變形量〉變形溫度。

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