TC4钛合金自由锻过程相变模拟与工艺分析

徐新生， 闫俊霞， 何雪明， 张皓晔

(1．江南大学 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室， 江苏 无锡 214122；2．江南大学 机械工程学院， 江苏 无锡 214122； 3．无锡宏达重工股份有限公司， 江苏 无锡 214122)

TC4钛合金(名义成分为Ti-6Al-4V)是一种α+β型2相合金，相变点以上主要是β相，相变点以下为α+β相。该合金由于具有良好的机械性能、热强度和抗腐蚀性被广泛应用于航空、航海领域[1-2]。

锻造是钛合金构件的主要加工方法之一，而锻件的性能与其微观组织演变密切相关，因此研究锻件成型过程中微观组织的演变就显得尤为重要[3]。到目前为止，国内外学者对TC4合金的相变行为进行了一系列的研究。权国辉等[4-5]构建了TC4钛合金大型模锻件二梁的晶粒和相的时空演变模型，模拟仿真了整个工艺过程中微观组织的演变历程，为大型钛合金零件的锻造提供了参考。Luo等[6]提出了一种嵌入相变模型的三维有限元方法，预测了Ti-6Al-4V涡轮叶片热锻及后续空冷过程中的相变特性，最后通过实验验证了仿真结果的正确性。Bruschi等[7]382基于Avrami相变的数学理论模型，采用有限元法研究了TC4叶身截面热锻及其冷却过程中各相的演变规律。Quan等[8]建立了基于多场耦合和多尺度耦合的有限元分析模型，对不同应变速率和温度下的压缩进行了模拟，并通过观察微观组织验证了有限元分析的正确性。

然而现阶段国内学者对钛合金自由锻过程中相演变规律的研究甚少，尤其在数值模拟方面，仍需展开进一步研究。课题组基于Deform-3D软件平台，建立了TC4合金的相变模型，对TC4钛合金现有自由锻工艺进行有限元仿真，验证工艺的合理性并预测钛合金锻件温度及各相的分布，以期为大型钛合金零件的锻造提供参考。

1 模型建立

1.1 材料参数

数值模拟中，材料参数的准确性和完整性是决定仿真结果可靠性的关键因素之一[9]。TC4钛合金的化学成分见表1，将其导入JmatPro材料性能模拟软件计算得到其性能参数，在Deform-3D中建立对应的材料数据库，相关的热物性参数如图1所示。

表1 TC4的化学成分

图1 TC4的热物性参数Figure 1 Thermophysical parameters of TC4

1.2 建立有限元模型

采用Deform-3D对自由锻过程进行数值模拟。利用UG三维软件对模具和坯料进行实体建模，有限元模型如图2所示。采用刚粘塑性有限元法进行数值模拟，将坯料定义为塑性体，模具定义为刚性体[10]123。其中，模具参与锻造过程的换热，具体模拟参数如表2所示。

图2 TC4钛合金自由锻有限元模型Figure 2 Finite element model of TC4 titanium alloy free forging

表2 模拟参数

1.3 建立相变模型

1.3.1 加热阶段相变模型

TC4钛合金在室温平衡状态下的显微组织由密排六方结构的α相和体心立方结构的β相构成，加热过程中α相会向β相转变，采用简化Avrami模型计算α相向β相转变的体积分数[11]82。公式如下：

ξv=1-exp {A[(T-Ts)/(Te-Ts)]D}。

(1)

式中：ξv为α相转变为β相的体积分数；Ts为相变起始温度，取600 ℃；Te为相变结束温度，取980 ℃；A和D为材料参数，分别取-1.86和4.35。

根据JMatPro数据库提供的实验曲线，Avrami数学模型数据与其对比结果如图3所示，二者α相转变体积分数随温度变化的趋势基本一致，验证了模拟结果的正确性，可以预测TC4合金微观相变的演变趋势[12]。

图3 实验数据与Avrami数学模型数据对比Figure 3 Comparison between experimental data and Avrami simplified model data

1.3.2 冷却阶段相变模型

冷却过程中，根据α相生成阶段的不同，分为以下3种：初生α相、次生α相及时效α相，其中次生α相、时效α相和时效β相被称为转变β组织即α+β相[13]。笔者结合TC4的TTT相变曲线(见图4)和JMA模型实现了对β相到α+β相转变的模拟[14]。相变的起始点和结束点由TTT曲线来控制，β相转变的体积分数由JMA模型计算。公式如下：

ξ=1-exp (-btn)。

(2)

式中：ξ为β相转变为α相的体积分数,b为TTT曲线计算的常数,n取1.35。

图4 TC4钛合金的TTT相变曲线Figure 4 TTT transformation curve of TC4 titanium alloy

1.4 确定工艺参数

TC4钛合金自由锻造工艺锻前热处理工艺如图5所示。图6所示为镦拔工艺流程图，坯料先进行拔长，镦粗前先进行倒八方，主要为了防止出现应力集中现象[16]。由于涉及多工序模拟，因此仿真过程中，工件的初始条件(几何形状、温度场和相的分布)均由上一工序的计算结果导入，以确保模型的准确性。

图5 锻前热处理曲线Figure 5 Heat treatment curve before forging

图6 镦拔工艺流程Figure 6 Upsetting and drawing process flow chart

2 模拟结果及分析

2.1 加热过程分析

在坯料中心截面处选取P1，P2，P3，P4和P5作为追踪点，追踪点分布如图7所示，各点温度和相随时间的变化如图8所示。可以看出，温度在径轴方向上呈现相同的变化趋势，均由表面向内部逐渐转移。α相在700 ℃左右开始向β相发生转变，两相在各点处的体积分数呈现截然相反的演变趋势。点P1和P5处于坯料表面，温升最快，首先发生α相到β相的转变。点P3处于坯料心部，规律与P1和P5相反。各点在温度达到1 000 ℃左右时，α相向β相的转变率均达到100.0%。结果与理论相符[7]385。

图7 追踪点分布Figure 7 Distribution of tracking points

图8 追踪点处温度和相体积分数随时间变化Figure 8 Variation of temperature and phase integral number at tracking points with time

2.2 镦拔过程分析

2.2.1 工艺分析

现有工艺中，锻件2平行边距设为L，拔长后L=380 mm，数值模拟显示，坯料出现双鼓形缺陷，由文献[17]第130页知高径比是镦粗工艺的主要影响因素之一。通过模拟研究将现有工艺L增加至410 mm后产生最佳效果，锻件高径比由2.9减小至2.5，对比效果如图9所示，后续镦粗时高径比均为2.5。

图9 不同高径比对比Figure 9 Comparison of different height diameter ratios

2.2.2 相变分析

图10所示为镦拔后坯料中心截面处温度的分布云图。可以看出，坯料中心温度达到最高，比初始温度1 150 ℃高出10～20 ℃，该结果主要是由于镦拔过程中心区域的变形更剧烈，内部熵增最大。同时，由于模具与坯料间存在较大温差，成形时接触换热迅速，使得接触部位形成温度骤降区，区域内温度整体较低，第2次镦粗后产生最低温度值为702 ℃。虽然区域内温度较低，但受影响的坯料仅有表面很薄的一层，对整个成型过程的影响不大。

图10 坯料中心截面处温度云图Figure 10 Temperature nephogram at central section of blank

图11所示为镦拔后坯料中心截面处β相的分布云图。可以看出，镦拔后坯料β相体积分数在表面的分布几乎为0，而且内部的β相几乎没有向α+β相转变。结合图10温度场分析可知，现象产生的主要原因是由于坯料和模具接触处形成温度骤降区，区域内温度达到β/(α+β)相变点以下，使得高温β相向(α+β)相转变，而坯料内部温度均高于相变点，并未发生转变。

图11 坯料中心截面处β相云图Figure 11 β phase nephogram at central section of blank

图12所示为镦拔后坯料中心截面处α+β相的分布云图。由图可得，镦拔后坯料的α+β相分布与图11所示β相分布截然相反，在坯料表面α+β相的分布率几乎为100.0%，其余部分则几乎没有发生转变。

图12 坯料中心截面处α+β相云图Figure 12 α+β phase nephogram at central section of blank

2.3 评价指标

选取平均值和标准差值作为评价指标来表示温度和相在不同镦拔阶段的总体水平和均匀性，其中标准差值越小表示分布越均匀，表达式如下：

(3)

(4)

式中：Tavg，Tsd分别为温度的平均值和标准差值，Ti为节点i处的温度,N表示节点总数。

图13所示为坯料温度的平均值和标准差值在不同工步处的变化(工步1为第1次拔长，工步2为第1次镦粗等)，整个锻造过程中Tavg持续下降，工步1后Tavg由1 150 ℃速降至980 ℃，主要是因为模具与坯料初始温差最大，坯料整体温度也会随之降低。而由于工步2和工步4为镦粗过程，坯料心部的剧烈变形会产生温升现象，同时坯料与模具、环境同时进行换热，在2个因素的相互作用下导致Tavg下降比较缓慢。Tsd在整个过程浮动不大，温度分布较为均匀。

图13 温度平均值和标准差值随工步变化Figure 13 Variation of temperature average value and standard deviation with work step

取公式(3)和(4)计算β相和α+β相体积分数的平均值和标准差值，分别表示为favg,(β)与fsd,(β)和favg,(α+β)、fsd,(α+β)，结果如图14和15所示。从图14～15可以看出，favg,(β)、favg,(α+β)呈现相反的演变趋势，随着锻造进行，favg,(β)从100.0%下降到31.2%，favg,(α+β)持续上升到68.8%，这与Tavg的演变规律一致；相反，fsd,(β)与fsd,(α+β)呈现出相似的演变趋势，均在40.0%上下浮动，与Tsd的演化相似。

图14 β相体积分数平均值和标准差值随工步变化Figure 14 Variation of average value and standard deviation of β phase volume fraction with work step

图15 α+β相体积分数平均值和标准差值随工步变化Figure 15 Variation of average value and standard deviation of α+β phase volume fraction with work step

3 工艺验证

通过模拟得出，镦粗比越大，对应的拔长比就越大，越易导致坯料表面折叠、开裂及双鼓形等缺陷。该TC4钛合金镦粗时的高径比由2.9优化为2.5，此时锻件对应的平行边距L=380 mm增加至L=410 mm。工艺流程为：下料-天然气室式炉加热-自由锻(镦拔)-修磨，试制后如图16所示。结果表明：产品各项性能指标符合要求，锻件未出现双鼓形缺陷，减少了对后续加工的影响。

图16 TC4钛合金自由锻试件Figure 16 Specimen of TC4 titanium alloy free forging

4 结论

课题组通过建立TC4钛合金相变模型，对现有自由锻工艺进行数值模拟，得到以下结论：

1) TC4钛合金的相变主要和温度分布相关，700 ℃时α相向β相发生转变，当温度达到1 000 ℃以上时，转变率达到100.0%。

2) 锻件与模具接触处行成温度骤降区，首先发生β相到α+β相的转变，整个过程favg,(β)从100.0%下降至31.2%，favg,(α+β)持续上升至68.8%，呈现相反的演变趋势。fsd,(β)与fsd,(α+β)则均在40.0%上下浮动。

3) TC4钛合金自由锻镦粗时的最佳高径比为2.5，锻件对应的平行边距L=410 mm。通过试制，采用反复镦拔工艺能为后续加工提供合格锻件，有效的缩短试验周期，提高了产品合格率。