TC4钛合金管气压校圆工艺的研究浅谈

杨会荣

（中核动力设备南京公司，南京 210000）

1 基本材料选取

材料：钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，图1所示为其组织。

图1

化学成分如下：

2 材料基本性能简介

具有良好的综合力学机械性能，使用温度为300～350℃。比强度大。TC4的强度sb=1.012GPa，密度g=4.4×103，比强度sb/g=23.5，而合金钢的比强度sb/g小于18。钛合金热导率低。钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。与一般钛合金相比，钛铝金属间化合物的最大优点是在较高的温度条件下仍能保持良好的机械性能和耐腐蚀性能，其中部分合金的最高使用温度达到816℃，个别合金使用温度达到982℃，重量轻，耐高温，高强度，抗蠕变性能好使其成为未来海洋装备和航空装备最具竞争力的材料。钛无毒、无重金属析出，强度高且具有和人体较好的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，例如人体的骨关节，连接件，固定板等可用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。

3 材料应变、时间和温度的模拟关系

应变和温度的关系，在815℃速率和流变峰值应变图如图2：

图2

初始应变速率为5×10-3s-1、温度为900℃，分别保温5，10，15min进行拉伸试验获得如下应变与应力的相应的曲线如图3所示。

图3

如图3所示：在试验高温过程的拉伸，材料由于相应的应变所对应的应力先是很快达到顶值，然后又逐渐下降；并且随着对应应变的增加，后期曲线逐渐变得平缓。保温时间为0～16min范围内，应变应力曲线在短时间内变化很大，图形形成急速上升。

4 建立数学模型及模具相关参数的模拟选取

在建立有限元模拟状态之中，建立了合金材料模拟变形的变动应力，与宏观热力参数之间的关系，为了获得相应的数值模拟最终状态数据尤为关键。文章通过对比指数模拟，串联模拟，以及并联模型Johnson-Cook，还有Kumar 5种高温基本类型关系的经验公式，对高温拉伸试验数据的收集整理，最终采用 Kumar模型在温度为：850～930℃，变化速率为：4×10-4～1×10-2s-1，实际应变为真实变形的范围内，模拟建立了合金的高温本构方程的数学表达式如下：

气压成形是建立在高温前提下的变形过程，模具和工件在温度变化的同时会发生热胀冷缩的现象，并且考虑两种材料的膨胀系数不同，变形量有差异，通过对比各类高温模具材料不同温度下的力学性能，特别是合金与这些材料的线膨胀系数进行比较后。最后将选择Ni7N即ZG35Cr24Ni7SiN作为TC4气压成形模具材料。并依据两者的高温的机械性能参数和大型模具设计的经验数据，确定模具型面的缩放系数为6‰。

升温 钛管外径 D=D0*(1+α*ΔT)

模具内径 D2=D1*(1+α*ΔT)

加压 钛管应力σ=P*D/2

应变量ε=D2/D-1

卸压 钛管外径D3=D(1+ε)

D0：升温前管外径，毫米

D：升温后管外径，毫米

D1:升温前模具内径，毫米

D2：升温后模具内径，毫米

ε：板厚，毫米

α：K-1

联立以上可求模具内径，加工气压。

在此基础上根据FEA的计算结果，确定了上下模具的结构和尺寸。以上设计不考虑钛管加工减薄量和加工过程是恒温。

5 结论

通过以上模拟计算和模具的模拟设计研究，为制造强度高，公差要求严的零部件提供了一种新的成型方案。