孟凡玲，趙劍博，張志強(qiáng)，柏春光

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

鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐熱性好和耐蝕性優(yōu)異等特點(diǎn)，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(guò)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(huì)對(duì)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(guò)程方面的研究較少，加工技術(shù)也不成熟，相對(duì)而言，鋁合金和鎂合金等材料由于變形抗力低，型材擠壓過(guò)程更容易進(jìn)行[3-4]。因此，對(duì)鈦合金型材擠壓過(guò)程進(jìn)行更具體和深入的研究具有重要意義。

美國(guó)和俄羅斯等國(guó)家早在1950年就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)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(zhǔn)體系[6]。俄羅斯VSMPO-AVISMA公司、美國(guó)RTI國(guó)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(guó)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(jìn)口為主。為解決發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)航空用鈦合金型材的限制，寶鈦公司聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和北京有色金屬研究總院針對(duì)鈦合金型材擠壓技術(shù)進(jìn)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(guó)家仍存在差距。

設(shè)計(jì)人員在研究鈦合金型材擠壓過(guò)程時(shí)，通常根據(jù)自己的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)擠壓模具和工藝參數(shù)不斷修改嘗試以達(dá)到型材質(zhì)量的要求[9]，但僅憑試驗(yàn)試錯(cuò)的方法往往很難找到問(wèn)題的根本原因，并且會(huì)降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。近年來(lái)，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)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(jì)領(lǐng)域問(wèn)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(duì)鈦合金型材擠壓模具和工藝進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)、縮短模具設(shè)計(jì)時(shí)間，在初始設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題、選取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，達(dá)到降低材料成本、提高生產(chǎn)效率的目的[11-14]。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外鈦合金擠壓數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，系統(tǒng)介紹模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)鈦合金擠壓過(guò)程的影響規(guī)律，闡述數(shù)值模擬技術(shù)在擠壓過(guò)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(guò)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(shí)金屬的流出方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)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(shí)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(guò)程的示意圖[15]。鈦合金型材的種類有很多，目前我國(guó)常用的TC4、TA15等鈦合金均可通過(guò)擠壓法生產(chǎn)出簡(jiǎn)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(jìn)一步研究。

圖1 鈦合金型材擠壓過(guò)程示意圖

與其他加工方法相比，擠壓過(guò)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(lái)模擬鈦合金擠壓成型過(guò)程，包括Deform-3D、Simufact forming、HyperXtrude、MSC/Marc及Abaqus等[17]。鈦合金擠壓過(guò)程數(shù)值模擬一般分為五個(gè)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(jì)算及后處理結(jié)果。同時(shí)模擬擠壓成型過(guò)程時(shí)需注意以下問(wèn)題[19]。

(1)溫度在鈦合金擠壓成型過(guò)程中起重要作用。擠壓過(guò)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(zhǔn)確性，計(jì)算時(shí)不僅要關(guān)注型材的變形情況，還要考慮擠壓過(guò)程中的熱力耦合作用。隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，型材溫度會(huì)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(huì)發(fā)生變化，模擬計(jì)算時(shí)間增加，計(jì)算精度降低。

(2)擠壓過(guò)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(méi)有確切的數(shù)值，而始終處于變化階段。因?yàn)閿D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(wèn)題，成為有限元模擬計(jì)算的難點(diǎn)之一。

2 數(shù)值模擬在鈦合金擠壓模具設(shè)計(jì)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(shí)也可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到預(yù)防型材截面發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等問(wèn)題，提高型材質(zhì)量和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，缺乏理論指導(dǎo)，往往會(huì)進(jìn)行反復(fù)修模試模甚至導(dǎo)致模具報(bào)廢，既無(wú)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(lái)，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(duì)鈦合金型材擠壓過(guò)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(huì)影響擠壓過(guò)程中坯料進(jìn)入模具時(shí)的流動(dòng)阻力和流動(dòng)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(shí)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(dòng)。

Damodaran D等[24]為研究鈦合金熱擠壓過(guò)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(rùn)滑和金屬流動(dòng)的有限元模型，指出變形量是模具設(shè)計(jì)、玻璃潤(rùn)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(duì)型材的影響。結(jié)果表明，模具結(jié)構(gòu)對(duì)擠壓后型材尺寸和精度有很大影響，通過(guò)調(diào)整模具入口倒角可以改變出口處型材的流動(dòng)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(guò)實(shí)際擠壓實(shí)驗(yàn)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(duì)鈦合金擠壓過(guò)程建模，評(píng)估了模具圓角半徑分別為2mm、6mm和10mm時(shí)型腔的熱機(jī)械載荷。結(jié)果表明，在實(shí)際擠壓過(guò)程中，擠壓模具過(guò)渡圓角處是高溫和高機(jī)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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)型材型心與模具圓心位置來(lái)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(duì)減少金屬流動(dòng)的不均勻性有很大影響，對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)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(guò)調(diào)整模孔尺寸和?？孜恢脤?duì)TC4鈦合金“H”形型材擠壓模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了質(zhì)量和性能較好的擠壓制品。

(3)工作帶長(zhǎng)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(jì)模具時(shí)工作帶的長(zhǎng)短會(huì)直接影響擠壓型材的質(zhì)量。工作帶過(guò)短，模具易發(fā)生磨損，無(wú)法保證型材形狀；工作帶過(guò)長(zhǎng)，模具容易粘黏坯料，使型材表面產(chǎn)生缺陷，因此，擠壓過(guò)程模擬時(shí)應(yīng)合理選擇工作帶長(zhǎng)度[28]。模具設(shè)計(jì)時(shí)可以在出口金屬流速快的位置適當(dāng)增加工作帶長(zhǎng)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(dá)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(duì)于壁厚不相同的型材，可以首先從工作帶處進(jìn)行調(diào)整。型材的壁厚越小，金屬不易流動(dòng)，工作帶應(yīng)越短。在模擬計(jì)算時(shí)，可以先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出型材壁厚最薄處的工作帶長(zhǎng)度，再依次計(jì)算出其他位置的工作帶長(zhǎng)度，鈦合金型材擠壓時(shí)常用的工作帶長(zhǎng)度為20～30mm[30]。

隨著我國(guó)對(duì)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(jì)和加工制造技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。通過(guò)綜合利用三維建模、數(shù)值計(jì)算、過(guò)程仿真、數(shù)控加工等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)、尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)和無(wú)紙化精確制造，即不需要試模、修模等過(guò)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(gè)非常復(fù)雜的過(guò)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(guò)程中對(duì)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(duì)制品缺陷的影響

由圖3可見(jiàn)，各參數(shù)對(duì)擠壓后型材的質(zhì)量影響很復(fù)雜，確定擠壓工藝時(shí)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(duì)于鈦合金擠壓過(guò)程，隨著擠壓溫度的提高，出口金屬流動(dòng)不均勻性會(huì)加劇。但為使鈦合金在較小擠壓力下即可實(shí)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(dòng)動(dòng)力學(xué)研究表明，在對(duì)應(yīng)于不同合金、不同相狀態(tài)的溫度區(qū)中，金屬的流動(dòng)行為差異較大[36]。因此，擠壓溫度是影響鈦合金擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)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(shí)的金屬流動(dòng)性比在β相區(qū)擠壓時(shí)更均勻[37]，鈦合金擠壓時(shí)應(yīng)保證在β相轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)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(xiàn)[38-39]采用Deform軟件對(duì)TC4鈦合金進(jìn)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(guò)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(kāi)始進(jìn)行，坯料來(lái)不及散熱，與模具發(fā)生劇烈摩擦導(dǎo)致溫度升高，同時(shí)坯料的溫升隨預(yù)熱溫度的增大而增大。通過(guò)與實(shí)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(duì)Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V擠壓厚壁型材熱拉彎工藝進(jìn)行有限元模擬。結(jié)果表明，初始擠壓溫度對(duì)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(shí)，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(guò)改變擠壓過(guò)程中金屬的熱平衡進(jìn)而影響鈦合金的力學(xué)性能、金屬流動(dòng)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(shí)通常要考慮材料的狀態(tài)、加熱溫度、潤(rùn)滑等條件。擠壓速度低，擠壓過(guò)程中鈦合金與模具、擠壓筒接觸時(shí)間較長(zhǎng)，熱量損失較多，導(dǎo)致擠壓末端坯料溫度過(guò)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(guò)程的進(jìn)行；當(dāng)擠壓速度增加到一定程度時(shí)，坯料與模具接觸時(shí)間過(guò)短，變形和摩擦產(chǎn)生的熱量無(wú)法傳遞，導(dǎo)致模具內(nèi)溫度過(guò)高，嚴(yán)重影響模具使用壽命，隨著坯料的流變應(yīng)力提高，還會(huì)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(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制擠壓速度。實(shí)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(shí)才允許提高擠壓速度。鈦合金擠壓時(shí)通常選用80～130mm/s的中等速度進(jìn)行擠壓。由于擠壓過(guò)程中坯料溫度遠(yuǎn)高于模具溫度，會(huì)有部分熱量通過(guò)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(guò)25mm/s時(shí)，可以忽略坯料與模具接觸傳遞的熱量[44]。高妍等[45]對(duì)TC4鈦合金L形型材的擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬，研究了擠壓速度對(duì)成型效果的影響。結(jié)果表明，擠壓速度對(duì)擠壓過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的分布有明顯影響，但過(guò)大的擠壓速度可能會(huì)導(dǎo)致型材出現(xiàn)缺陷，并進(jìn)一步通過(guò)微觀組織對(duì)比觀察驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 擠壓比

擠壓比的大小對(duì)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(guò)影響鈦合金的熱成形能力進(jìn)而影響擠壓過(guò)程能否順利進(jìn)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(diǎn)和工藝性能，擠壓比通常在3～30范圍內(nèi)選擇[47]。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)大會(huì)導(dǎo)致金屬流動(dòng)阻力增大，金屬很難流出模孔，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致“憋車”，進(jìn)而對(duì)擠壓設(shè)備和擠壓模具造成損壞。模擬計(jì)算時(shí)，擠壓筒的規(guī)格、擠壓合金的強(qiáng)度、預(yù)加工型材的尺寸以及擠壓機(jī)的噸位等都會(huì)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(guò)程。結(jié)果表明，擠壓比越大，有效應(yīng)變?cè)酱?，最大有效?yīng)變是在坯料剛從模具口流出時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)擠壓比從3增加到6時(shí)，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(rùn)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(dòng)，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(guò)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(dòng)摩擦，一般采用庫(kù)倫摩擦模型[50]。鈦合金具有嚴(yán)重的因摩擦而粘結(jié)的特性，故潤(rùn)滑特別重要，潤(rùn)滑不合理不僅會(huì)使鈦合金粘附在擠壓模上，還會(huì)引起擠壓模的快速磨損[51]。鈦合金擠壓時(shí)通常采用玻璃潤(rùn)滑劑，玻璃潤(rùn)滑劑導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱性能好，加熱時(shí)可以粘黏在坯料表面起到保護(hù)和潤(rùn)滑作用，擠壓時(shí)可以將接觸表面的干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔缒Σ?，這樣不僅有利于金屬均勻流動(dòng)，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(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算可以通過(guò)調(diào)整摩擦系數(shù)大小模擬潤(rùn)滑劑的添加[52]，達(dá)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(rùn)滑方式[37]。

表1 常用鈦合金型材的擠壓參數(shù)及潤(rùn)滑方式

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

4 數(shù)值模擬在鈦合金擠壓過(guò)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(guò)程，更與整個(gè)擠壓過(guò)程有關(guān)，同時(shí)后續(xù)的熱處理工藝也會(huì)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?xiàng)l件時(shí)，各組織組成的形貌會(huì)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(qiáng)度、塑性、韌性、耐腐蝕性及其他性能[56]，通過(guò)對(duì)擠壓過(guò)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(shí)驗(yàn)條件的限制，人們對(duì)鈦合金在擠壓變形時(shí)微觀組織演變一直停留在傳統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究中，無(wú)法觀察到微觀組織連續(xù)的變化過(guò)程。因而，對(duì)鈦合金擠壓過(guò)程組織演變進(jìn)行數(shù)值模擬，動(dòng)態(tài)跟蹤組織演變的每個(gè)過(guò)程，對(duì)預(yù)測(cè)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(dòng)機(jī)法、幾何模型法、相場(chǎng)理論模型法、結(jié)合微觀組織的有限元方法等[57]。擠壓過(guò)程中微觀組織演變的數(shù)學(xué)模型主要包括3個(gè)模塊，即動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型、靜態(tài)再結(jié)晶模型和晶粒長(zhǎng)大模型。對(duì)于同一材料，演變過(guò)程主要取決于溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率；對(duì)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(jì)算時(shí)將微觀組織模型與熱力耦合有限元模型相結(jié)合，通過(guò)有限元方法計(jì)算得到溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)變速率場(chǎng)的分布，再由微觀組織模型求解得到晶粒演變過(guò)程的尺寸變化與分布情況[58]。

李洪波等[59]在熱壓縮實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了TC4鈦合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型，并利用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)反擠壓成形時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)及晶粒尺寸分布進(jìn)行了研究，與擠壓后的金相組織圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)和模擬得到的晶粒尺寸基本吻合，誤差在20%左右，說(shuō)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(dòng)機(jī)法模擬了Ti-1023鈦合金擠壓過(guò)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)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(guò)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(duì)擠壓過(guò)程中鈦合金的微觀組織變化進(jìn)行模擬[61-62]，并與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的微觀組織對(duì)比觀察，獲得了擠壓過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度變化對(duì)顯微組織的影響規(guī)律。

圖4 不同擠壓進(jìn)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(duì)擠壓過(guò)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(jí)階段，尚沒(méi)有模型能夠理想地表征出鈦合金在擠壓過(guò)程中的組織演變規(guī)律。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本構(gòu)方程總是會(huì)存在誤差，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)本構(gòu)方程進(jìn)行修正，使其更符合實(shí)際，將成為一個(gè)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(lái)，對(duì)鈦合金擠壓過(guò)程進(jìn)行更深入的分析研究。未來(lái)研究會(huì)聚焦于鈦合金擠壓組織演變本構(gòu)模型的建立，并進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)。

此外，在擠壓過(guò)程的理論研究方面，Shin T J等[63]基于有限元方法對(duì)鈦合金擠壓成型過(guò)程進(jìn)行模擬研究，揭示了溫度對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律，提出了改進(jìn)后的Cockroft-Latham斷裂準(zhǔn)則，可作為鈦合金成型缺陷控制的工藝優(yōu)化依據(jù)，達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)、減少原材料消耗的目的，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)比較，證明了該方法的有效性。何鐵寧等[64]在保證擠壓過(guò)程熱力耦合效應(yīng)的前提下，利用剛黏塑性有限元方法，對(duì)鈦合金薄壁零件擠壓成型過(guò)程進(jìn)行了模擬，并分析了成型過(guò)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(yǔ)與展望

通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)分析研究鈦合金型材擠壓過(guò)程，從設(shè)計(jì)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(guò)程中鈦合金的流動(dòng)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(duì)擠壓成型過(guò)程的影響，由此達(dá)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(shí)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(jì)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(lái)的主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)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(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改，需盡快形成鈦合金型材擠壓模具的設(shè)計(jì)規(guī)范。

(2)鈦合金擠壓過(guò)程中邊界條件的非線性、時(shí)變性特點(diǎn)對(duì)金屬流動(dòng)和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響，應(yīng)建立包含潤(rùn)滑劑在內(nèi)的擠壓模型，進(jìn)一步研究鈦合金擠壓過(guò)程中的摩擦行為。

(3)數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)與實(shí)際鈦合金擠壓型材生產(chǎn)相結(jié)合，對(duì)鈦合金擠壓過(guò)程進(jìn)行更加準(zhǔn)確高效的模擬分析。通過(guò)數(shù)值模擬指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)型材的形狀甚至微觀組織的變化，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，達(dá)到提高型材質(zhì)量和生產(chǎn)效率的目的。