基于DEFORM-3D模拟分析钛合金楔横轧微观组织演变规律

赵志龙，徐 强，万文璐，丁 睿

（宁波工程学院国际交流学院，浙江 宁波 315211）

引言

钛合金优点突出，是工业中常用的金属材料之一，常常被人们称为“未来金属”[1-2]。目前，有二三十种钛合金被应用在工业和生产中，常见的有：Ti6Al4V、Ti6Al4VELI、Ti32Mo、Ti1053、BT20、IMI834等。Ti6Al4V的使用量最大，占了所有钛合金的60%~70%左右。Ti6Al4V在我国也被称为TC4，具有良好的综合性能，其成形性和焊接性都较好[3]。钛合金不仅性能优良，而且密度小，用于航天航空、车辆等产品上能够降低产品重量、节省能耗。

楔横轧加工成形技术是近净成形轴类零件的方式之一，相比传统的机加工和锻造加工具有更高的生产效率和更低的加工成本，材料的利用率也大大提高了[4-6]。钛合金轴类件楔横轧加工的工艺参数对微观组织影响决定了零件的微观质量和使用性能，因此对其微观组织进行探究是非常必要的。

1 TC4钛合金本构方程与动态再结晶方程

1.1 TC4钛合金动态再结晶方程

TC4钛合金存中存在β单相区和α+β双相区，本文根据文献[7]建立了两种相区的本构方程，具体参数如下：

α+β两相区：

β单相区：

1.2 TC4钛合金动态再结晶方程

本文应用了DEFORM-3D有限元软件Avrami模型中材料的本构模型，分别建立了TC4钛合金两种相区的动态再结晶模型[7]。

α+β两相区：

β单相区：

式中：εc为动态再结晶临界应变；εp为流变应力曲线的峰值应力，MPa；为塑性应变速率（s-1）；Xdrex为动态再结晶影响系数；ε为真应变；ε0.5为动态再结晶体积分数达到50%时的应变；ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，μm；R为摩尔气体常数，取8.314 J/mol·K；T绝对温度，K。

2 α+β相区动态再结晶体积分数模拟分析

2.1 α+β相区模拟工艺参数

通过调整初始加热温度、轧制速度和断面收缩率，在DEFORM-3D软件中模拟探究各工艺参数下动态再结晶体积分数的演变规律。工序参数下页如表1所示。

表1 α+β相区模拟工艺参数表

2.2 α+β两相区轧制温度的影响

图1所示为不同初始温度下，动态再结晶体积分数模拟结果。初始温度在850℃、900℃和950℃下，精整段的轧制区都产生了动态再结晶。对比不同温度下，轧件端部动态再结晶情况，可以发现随着轧制温度升高，动态再结晶体积分数越高，动态再结晶越充分。

2.3 α+β相区轧制速度的影响

图2所示为不同轧制速度下，动态再结晶体积分数模拟结果。对比模拟结果可以看出，不同轧制速度下，精整段的轧制区都产生了动态再结晶，但端部的中心动态再结晶不充分。对比不同轧制速度下轧件端部动态再结晶情况，可以发现随着轧制速度的加快，动态再结晶体积分数越低，动态再结晶越不充分。

2.4 α+β相区断面收缩率的影响

图3 所示为不同断面收缩率下，动态再结晶体积分数模拟结果。对比模拟结果可以看出，不同断面收缩率下，精整段的轧制区都产生了动态再结晶。轧件端部中心随着断面收缩率的增大，动态再结晶体积分数不断增大。

3 β单相区轧制微观组织分析

3.1 相区模拟工艺参数确定

在不同的初始温度、轧制速度和断面收缩率下，在β相区模拟探究晶粒尺寸的变化。β相区与α+β相区的微观组织明显不同，具有等轴β晶组织，因此在β单相区对晶粒尺寸进行模拟分析更有意义，具体工艺参数如表2所示。

表2 单相区模拟工艺参数表

3.2 β单相区轧制温度的影响

下页图4所示为不同初始温度下，平均晶粒尺寸模拟结果。在不同温度下，轧制精整区的晶粒都比端部小，且随着初始温度的升高，晶粒的尺寸就越大。

3.3 β单相区轧制速度的影响

下页图5所示为不同轧制速度下，平均晶粒尺寸模拟结果。对比轧件精整段晶粒平均大小可以看出，随着轧制速度的提高，轧件平均晶粒尺寸不断减小。

3.4 β单相区断面收缩率对晶粒尺寸的影响

图6所示为不同断面收缩率下，平均晶粒尺寸模拟结果。对比轧件精整段晶粒平均大小可以看出，随着断面收缩率的增大，轧件平均晶粒尺寸不断减小。

4 轧制实验

本文通过对比α+β双相区内不同初始温度下轧制实验与DEFORM-3D有限元模拟结果，验证数值模拟的可靠性。对比轧制实验中不同温度下金相图发现，随着温度升高，初生a从块状连接变为独立的等轴状晶粒，初生a含量也明显减少，说明随着轧制初始温度的升高，动态再结晶越充分。轧制实验与数值模拟结论相同，进一步验证了有限元模拟结果的可靠性。轧件金相图如图7所示。

5 结论

1）在α+β双相区内，随着初始轧制温度的升高，能量增加，导致模拟结果显示的动态再结晶体积分数相应越大；随着轧制速度的加快，轧制时间缩短，导致模拟结果显示的动态再结晶体积分数相应减小；随着断面收缩率的增大，材料形变增加，导致模拟结果显示的动态再结晶体积分数相应增大。

2）在β单相区内，随着初始轧制温度的升高，能量增加，促进了模拟结果的晶粒尺寸相应增大；随着轧制速度的加快，使得动态再结晶晶粒形核以后没有足够的时间长大，导致模拟结果显示的晶粒尺寸相应减小；随着断面收缩率的增大，晶粒更容易破碎，导致模拟结果显示的晶粒尺寸相应减小。