钛合金塑性成形1引言钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的金属结构材料,钛及其合金因其强度高、耐高温、使用温度范围宽(-269~600℃)而成为宇航工业的理想材料。

航空航天领域使用钛合金占据了钛合金50%的市场份额;钛合金具有良好的耐腐蚀性,是航海、石油、化工、医药等行业的理想材料;钛合金因其形状记忆功能(如Ti-N,i Ti-Ni-Fe等),可用于卫星和飞船的天线、宇航系统的油管密封和其它自控装置;钛合金的无磁性,钛铌合金的超导性,钛铁、钛美合金的储氢能力使其在高技术和尖端科学方面也发挥着重要作用。

[1]钛合金的组织和性能对变形时的加热工艺参数比较敏感,因而其适合的加热工艺参数范围较狭窄,用一般的锻造方法难以获得理想的微观组织和性能。

研究钛合金在锻造成形过程中的变形规律,对获得理想的锻件有重要作用。

根据预定的工艺参数,模拟产品的热成形过程并预报其微观组织和力学性能,是生产技术中要解决的主要问题。

2钛合金塑性成形有限元法钛合金锻造成形时伴随着很大的材料流动,小变形理论误差很大,弹性变形占整体变形的比例很小,所以进行锻造成形计算机模拟时不但可以采用大变形弹塑性有限元法,还常常采用刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。

刚塑性有限元法不考虑弹性变形,对于大变形体积成形工艺计算速度快,很受欢迎。

刚粘塑性有限元法同样也不考虑弹性变形,但考虑应变率效应,适合热加工成形和超塑性成形。

在钛合金塑性变形过程中,塑性变形功、工件和模具接触面上的摩擦功不断地转化为热量,使得工件和模具内的温度场发生变化;温度场的变化又反过来影响工件的变形。

因此,在对锻造成形过程进行工艺模拟时,就需要在变形和温度场之间进行耦合分析,同时考虑工件的塑性变形及工件、模具、环境三者之间的热交换。

对于钛合金体积成形过程,一般采用刚塑性或刚粘塑性有限元法进行模拟。

利用钛合金的塑性性质对其进行加工使其满足需要的过程存在几何非线性、物理非线性和边界非线性。

对钛合金塑性成形问题进行精确求解非常困难,甚至是不可能的。

目前,应用更多的是近似方法,如主应力法、滑移线法、上下限法等,在这些近似研究方法中,需要做出较多的简化和假设,以便使问题能够求解,从而导致所得到的不少结果和实际情况相去甚远,无法满足理论分析和工程实际的需要。

[2]随着计算机技术和塑性力学理论的发展,塑性有限元法已经成为模拟分析塑性成形过程的有力工具,也成为应用最广泛的数值分析方法。

目前研究的固体型塑性有限元法,包括小变形和大变形弹塑性有限元法。

弹塑性有限元法最早是由Marcal等提出的,它同时考虑弹性变形和塑性变形,弹性区采用Hook定律,塑性区采用Ruess方程和Mises屈服准则。

采用弹塑性有限元法分析金属塑性成形过程,不仅能按照变形路径得到塑性区的变化,而且能够有效地处理卸载问题,计算残余应力和残余应变,从而可以进行回弹计算以及缺陷预测分析。

但是,弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性,须采用增量加载,在每一步增量加载中,都须做弹性计算来判断原来处于弹性区的单元是否已经进入屈服,对进入屈服后的单元就要采用弹塑性本构关系,从而改变单元刚度矩阵。

为了保证精度和解的收敛性,每次加载不能使很多单元同时屈服,这就使得每次计算时的变形增量不能太大,所以对大变形问题计算时间较长,效率较低。

另一类是流动型塑性有限元法(Flow Formula-tion),包括刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。

Kobayashi等针对弹塑性有限元法存在的问题提出了所谓“矩阵法”的刚塑性有限元法,用来分析金属塑性成形问题。

刚塑性有限元法每次的增长步长比弹塑性有限元法的大一些,但在每一增量步长比弹塑性有限元法的大一些,但在每一增量步中,材料仍然处于小变形状态下,由于下一次的计算是在累加以前变形后的几何形状及硬化基础上进行的,故刚塑性有限元法具有应力计算无累计误差,计算时间短,能适应多种材料硬化模型,动态边境处理较容易等优点。

[3]但由于刚塑性有限元法所采用的模型忽略了弹性变形部分,故不能计算回弹量、残余应力和残余应变,较适合于分析体积成形问题,其分析结果可以对体积成形过程提供详细的解释。

刚粘塑性有限元法与刚塑性有限元法的区别仅在于它们所采用的本构关系不同。

刚粘塑性有限元法在求解方式上与弹性有限元法有着明显的区别。

弹性有限元法以给定的边界外力和边界位移为基础,求解变量是单元的节点位移。

因应力应变关系满足虎克定律,所得矩阵方程组为线性方程组,可以直接求解。

刚粘塑性有限元法是以假设的满足速度边界条件速度场为基础,求解变量是单元节点的速度增量。

由于塑性变形具有材料及几何双重非线性,离散化后所得矩阵方程组为非线性方程组,需迭代求解,因此计算量非常大。

尤其在进行非稳态分析时,为保证计算精度,增量步长不能太大,通常取总压下量的1%作为增量步长。

在接触边界发生较大变化时,增量步长还应再调小。

[4]因此,总计算步数往往有一百多步,而在每一步计算中,又必须进行几次甚至几十次迭代。

所有这些计算特点使得防止迭代发散成为刚粘塑性有限元法中至关重要的问题。

近年来,刚塑性有限元法已被广泛应用并解决了许多金属塑性成形问题。

与此同时,针对刚塑性有限元法在求解过程中存在的一些问题,提出了各种相应的解决方法,如处理材料不可压缩的Lagrange乘子法、罚函数法和体积可压缩法等。

另外初始速度场的选取、刚塑性交界面的确定等问题也得到了较好的解决。

这些问题的解决,使刚塑性有限元法的应用范围大大扩大,并取得了令人满意的结果。

3钛合金三维数值模拟技术的发展钛合金成形工艺数值模拟是通过使用相关软件让计算机对整个成形过程的各种物理量的变化进行数值计算,预测出成形过程中各种有用的技术信息,并将最终的计算结果以各种图形(或动画)的形式直观生动地显示在计算机屏幕上。

工件的详细变形过程以及各种物理量随空间和时间的变化可以从屏幕观察到。

如果工艺、模具或坯料设计不当,便可以看到由此所产生的各种成形缺陷,如开裂、折叠、过烧与回弹等等。

做一次工艺数值模拟,就相当于在计算机上做了一次虚拟的工艺试验。

与实际工艺试验相比,其优势是成本低、周期短,所得到的技术信息更多、更全,而且全是定量化的数据。

对钛合金锻造成形过程进行分析的目的是确定工件在塑性成形的各变形阶段所需的变形功和变形力,内部的应力、应变、温度分布和金属流动规律,模具的应力、应变、温度分布及合理形状,工件的尺寸精度、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布,并为模具设计提供可靠的依据。

发现模拟出的工件有某些缺陷,就可以根据经验找出产生缺陷的原因,然后对工艺、模具和坯料进行修改。

将修改后的数据进行第二次工艺模拟,如此反复直到工艺成功。

在钛合金二维体积成形方面应用刚塑性、刚粘塑性有限元法已经趋于成熟。

国内外学者对一些简化模型或特定的体积成形过程进行了三维有限元模拟;Yang等对大量的三维挤压,锻造过程进行了计算; Kim等用De-form3d对铝连杆的三维锻造和线材的三维压进过程进行了模拟;Pillinge 分析了铝连杆的锻造过程;Shin等分析了不同形状的三维挤压过程。

在国内,同样也进行了很多三维模拟方面的研究。

王中金在假设预锻毛坯形状的前提下对连杆终锻过程进行了模拟;陈军对连杆毛坯滚挤、径向挤压、方坯反挤压等成形过程进行了模拟;童隆长采用混合的欧拉—拉格郎日法模拟了三维十字型腔的挤压过程。

多数国内外的这类研究都将实际生产中的工件形状加以简化,较少有带飞边的复杂形状锻件的多工位成形三维有限元分析实例,其原因是体积成形三维有限元仿真的一些关键问题还未得到较好的解决,如多工位体积成形过程仿真的信息传递、三维六面体网格再划分技术,三维模具几何信息的精确描述、可靠的动态边界处理条件等。

4钛合金微观组织数值模拟现状材料的微观组织对材料的最终性能会产生很大的影响,合金材料中的各相特性,是由添加的合金元素加入量、合金的组成、铸造、热锻和压延等加工方法、加工温度以及其后热处理形成的微观显微组织所决定的。

在钛合金中,已研究到了多元合金水平,对加工方法和热处理方面也进行了深入的研究。

要精确模拟锻件微观组织的形成过程,需建立能准确描述微观组织形成过程的数学模型,并且要有精度高效的数值计算方法来求解。

经各国学者的长期努力,微观组织的数值模拟经历了从定性模拟到定量模拟,从定点形核到随机形核,从纯物质微观组织的模拟到对多元合金微观组织的模拟,引入了蒙特卡罗方法、自动元胞机方法等数学模型。

今后把微观组织变化和数值模拟结合起来,建立材料在热力耦合加工过程中微观组织演化的通用模型成为很重要的研究课题。

钛合金锻造除了要达到终锻件的几何尺寸精度要求,另一个目标就是得到优越的机械性能和较好的晶相学结构。

合金的显微组织在很大程度上控制着材料的各种性能,特别是机械性能。

在成形过程中,材料经历了一系列的微观组织变化,例如动态/静态回复,再结晶和晶粒长大。

这些都将影响到成形过程(如成形力、温度、应变和应变速率的分布)和最终的产品性能(包括强度、延展性、韧性等)。

因此,研究微观组织对材料机械性能的影响并进行微观组织建模,成为热力耦合材料加工过程中最为重要的一环。

运用传统的制造和实验方法往往加工余量大,成本高,生产周期长,达不到现代化生产的要求。

随着模拟技术的发展和在金属加工领域的应用,在设计方法领域已经发生了很大的变化。

钛合金锻造成形过程的模拟可以分为三个层次:整体建模(用Slab法和上限元法对变形力或工况进行预测)、局部建模(用有限元法计算热力耦合变量)和微观组织建模(对微观结构、织构,各向异性等冶金和机械性能进行估算)。

到目前为止,在第二层次上对复杂的二维或三维成形过程的模拟工作已经进行的比较多,也取得了许多成果。

[5]国内外学者在微观组织模型的应用方面,也进行了许多工作。

Shivpuri等对二维镦粗过程进行了数值模拟,并预测了锻后饼坯中的晶粒尺寸和再结晶体积百分比。

Hu等对Ti-6AI-4V钛合金航空叶片截面的晶粒尺寸和体积分数进行了二维有限元模拟。

Ishikawa利用商业有限元软件Deform分析了钛合金的微观组织演变。

目前,国内对钛合金在热态成形过程中的微观组织变化也进行了研究。

许思广和王连生等率先进行了热锻过程中动态再结晶及晶粒尺寸的模拟的研究。

熊爱明对钛合金盘的模拟成形过程进行了变形—传热—微观组织演化耦合模拟,研究了变形工艺参数对微观组织变化的影响。

薛善坤利用Yada模型对钛合金叶片锻造二维模拟过程中的晶粒尺寸变化进行了研究。

这些工作都极大地加深了人们对材料变化过程中物理实质的认识,对正确理解锻造工艺与锻件内部质量之间的关系具有重要的指导意义。

从目前微观组织演化模型的应用情况看,一般都将这种模型作为数值模拟的“后处理程序”进行运用。