锻造温度场和应变场对TC21钛合金显微组织的影响

锻造温度场和应变场对TC21钛合金显微组织的影响邵晖等9锻造温度场和应变场对TC21钛合金显微组织的影响邵晖，赵永庆，葛鹏，曾卫东，杨义，王凯旋。，单迪1西北工业大学国家凝固重点实验室，西安710072；2西北有色金属研究院，西安710016；3西部超导材料科技有限公司，西安710021摘要研究了片状组织TC21钛合金在两相区锻造过程中的A相演变。采用有限元法分析了锻造过程中温度场、应变场的变化规律并定量分析了D相的形貌变化，FERETRATIO越小，形貌趋于球化。结果表明，应变场与温度场影响片状A相演变，在较低的应变条件下，锻料边部由于温度降低较快，再结晶充分，FERETRATIO为17944；锻料中心位置温度较高，FERETRATIO为2398。关键词温度场应变场显微组织中图分类号TQ174文献标识码AINFLUENCEOFFORGINGTEMPERATUREANDFORGINGSTRAINONMICROSTRUCTUREOFTC21TITANIUMALLOYSHAOHUI，ZHAOYONGQING，GEPENG，ZENGWEIDONG，YANGYI，WANGKAIXUAN。SHANDI1STATEKEYLABORATORYOFSOLIDIFICATIONPROCESSING，NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY，XIAN7100722NORTHWESTINSTITUTEFORNONFERROUSMETALRESEARCH，XIAN710016；3WESTERNSUPERCONDUCTINGTECHNOLOGIESCO，LTD，XIAN710021ABSTRACTTHEMICROSTRUCTURALEVOLUTIONOFLAMELLARALPHAPHASEINTC21ALLOYIN口8PHASEFIELDDURINGTHEPRESSFORGINGWASRESEARCHEDTHESTRAINFIELDANDTEMPERATUREFIELDWEREESTIMATEDUSINGFINITEELEMENTANALYSISTHEMICROSTRUCTURALEVOLUTIONOFALPHAPHASEINTC21ALLOYAFTERTHEFORGINGWASQUANTIFICATIONALLYRESEARCHEDTHROUGHFERETRATIOTHEMORPHOLOGYOFTHEPHASETENDSTOORBICULARWHENTHEVALUEOFFERETRATIOBECOMESSMALLERTHERESULTSSHOWTHATTHEEVOLUTIONOFALPHAPHASEISDETERMINEDBYSTRAINFIELDANDTEMPERATUREFIELDINTHELOWSTRAIN，PHASEATTHEBILLETEDGEISRECRYSTALLIZEDFULLYDUETOTHETEMPERATUREDECREASERAPIDLYATTHETIMETHEVALUEOFTHEFERETRATIOIS17944ATTHECENTREOFTHEBILLET，THEVALUEOFFERETRATIOIS2398FORTHEHIGHERTEMPERATUREKEYWORDSTEMPERATUREFIELD，STRAINFIELD，MICROSTRUCTURE0引言TC21钛合金是我国自行研制的具有自主知识产权的新型高强韧损伤容限型钛合金1，已有文献对该合金热处理、锻造工艺与组织性能关系展开了系统的研究_3。本实验旨在进一步深入了解锻造过程中应变和温度对组织演变的影响，采用DEFORM软件模拟了锻造前加热的温度场、锻造过程中的温度场及应变场的变化，并讨论了温度场及应变场对片状相演变的影响。这对制定合金的锻造工艺具有指导作用。1实验TC21合金属于两相合金，其名义成分为T6AL一2ZR2SN3MOLCR2NB，成分见表L质量分数。在2000T压力机上以60MMS速率进行锻造。锻造温度为910C，最终国家重点基础研究发展计划973计划项目2007CB613805邵晖男，博士研究生EMAILSHAOHUI2003163CORN工件为截面尺寸约为LOOMMX100MM的方坯料。从方坯上切取10MMX15MM的圆柱试样，在SX21210K电阻炉中进行热处理，并采用智能型控温仪SR53控制温度。经HFHNO。HO体积比125腐蚀液浸蚀后观察锻后组织的分布规律，然后采用光学显微镜OLYMPUSPMG3进行显微组织观察。表1TC21合金的测试成分TABLE1THECOMPOSITIONOFTC21ALLOYTESTED2结果与讨论21原料相变点的测定图1为坯料锻造前的微观组织，可见呈丛域状的片状组L0材料导报B研究篇2011年6月下第25卷第6期织，坯料的原始尺寸为400MM400RAM；475RAM。确定坯料相变点是选取锻造温度的依据，通过差热分析，坯料的相变点为947。图1TC21合金的原始组织HG“1THEORIGINALMICROSTRUCTUREOFTC21ALLOY22锻造前炉中加热温度场模拟坯料人炉的加热温度及保温时间影响锻前坯料的组织，所以有必要分析坯料在炉中加热时的温度变化_5。坯料入炉温度为430，经过2H随炉加热，炉温升温到910，表面换热系数见图2，温度场模拟结果见图3，工件整体随炉加热内外温度相差较小，当炉温升温到910。C时，工件温度大约为820，保温40MIN后工件温度整体已经达到910。保温过程中，边部温度比其它位置温度升温速率快。图2坯料表面换热系数嘲FIG,2THETRANSFEREFFICIENTOFBILLET6赠蛙H图3炉中坯料升温的模拟曲线FIG,3SIMULATEDTEMPERATURECURVEOFBILLETINFURNACE23锻造时温度场及应变场模拟变形过程中锻造模拟参数及锻造工步分别见表2和表3。工件的表面换热系数见文献6。建立几何模型，输入本构方程及物性参数。假设工件转移到模具过程中温度没有变化，则锻造过程如图4所示。表2锻造模拟参数TABLE2PARAMETERSUSEDINTHESIMULATION第Z步12345图4锻造流程图FIG4SCHEMATICILLUSTRATIONOFTHEFORGINGPROGRESS由图4可知，压力机与坯料接触的地方温度降低较快。图5为距离锻料头部30MM模拟截面和模拟温度与应变曲线的变化历程，工件侧面温度为880C，与实测温度一致。5个位置的温度与应变模拟分别见图6、图7，中心位置设为P，其它位置距离中心位置的距离依次为LOMM、20MM、30MM、40RAM，记为P2、P3、P4、P5。根据模拟结果，P2、P3、P4、P4个位置最后的温度分别为913C、910C、903、884。C，应变分别为1077、1006、0985、0920。坯料和模具接触处为温度骤冷区，约为800C。虽然表面温度低，但是仅有很薄的一层，对整个锻造过程影响不大，为了保证锻后组织的均匀性，可以考虑适当升高模具温度来减少表面温度的降低。P、PZ、P。点的温度随着压力机压下次数的增加而升高，如图6所示。由于最后一道次压下量减小到10MM，坯料变形产生的热量无法补偿扩散到环境的热量，P、P的温度呈现总体下降的趋势，P的温度下降最快。图7为锻造过程中各个位置的应变场变化。压力机每次压下后几个位置的应变都增加，坯料棱角应变最大，而且棱角处是降温最快的位置，因此该位置是开裂和锻造缺陷容易发生的位置，在实际锻造过程中应将坯料尖角处倒角，添【吕J口百LJJ00口舌器I10BJ口锻造温度场和应变场对TC21钛合金显微组织的影响邵晖等11加滚圆的工序。图5工件模拟截图FIG5THECROSSSECTIONOFSIMULATEDBILLET赠图6锻造过程中坯料的温度场分布FIG6THETEMPERATUREDISTRIBUTIONOFTHEBILLETINFORGINGPROCESS图7锻造过程中坯料的应变场分布FIG7THESTRAINDISTRIBUTIONOFTHEBILLETINFORGINGPROCESS24温度场及应变场对组织的影响通过线切割在坯料头部上述5个位置取金相试样，机械抛光腐蚀后的金相组织见图8。由于A相在三维空间中方向的随机性，二维图像中不可能区分其宽度和厚度。采用FERETMFERET可以形象地描述出A相的形貌L7，其示意图见图9，根据A相FERETRATIO比值来定量描述A相形态。FERETRATIO比值很大时，A相呈现针片状，随着FERETRATIO比值的不断减小，A相的形态趋于球状。4个位置统计后CT相的平均FERETRATIO值分别是2398、2255、2213、17944。图8坯料不同位置的金相组织FIG8THEMICROSTRUCTUREOFDIFFERENTPOSITIONSINTHEBILLET图9N相的FERETRATIO特征参数示意图FIG9SCHEMATICDIAGRAMOFFERETRATIOOFAPHASEFERETRATIO图10温度和应变对A相FERETRATIO值的影响FIG10THEEFFECTSOFTEMPERATUREANDSTRAINONTHEVALUEOFFERETRATIO温度、应变与FERETRATIO值关系见图1O。边部位置P攀疆鞣灌_O24675吾12材料导报B研究篇2011年6月下第25卷第6期的FERETRATIO值为17944，球化较好，主要是因为边部温度下降较快，变形过程中再结晶充分。而锻造过程中，锻料P。位置温度在910以上，虽然应变量较大，但是FERETRATIO3值为2398，球化较差。综上所述，工件中心位置最大应变为1077，工件整体应变量较低，提高组织的球化效果可以通过增加坯料的变形量、升高变形温度或二者兼有。此外，锻前需要修掉容易引起应力集中的坯料棱角。3结论1通过锻造过程模拟得到了坯料的温度、应变分布规律。工件表面与模具接触的地方温度最低，中心温度最高。为使坯料锻造组织均匀，应适当升高模具温度，减少坯料与模具间的接触换热。经过多道次镦拔后，坯料中心部应变最大，表面应变最小，表面尖角处应变最大，平均应变达到15以上，容易产生锻造裂纹。2在中心位置应变为1077的条件下，由于锻后降温较快，边部位置再结晶充分，球化效果较好。而坯料中心位置应变较小，虽然温度较高，但球化率较低。通过反复墩拔或升高锻造温度均可使片层组织得到更好的球化。一，参考文献I曲恒磊，赵永庆，朱知寿，等一种高强韧钛合金及其加工方法CN03105961RP200304062ZHAOYONGQING赵永庆，QUHENGLEI曲恒磊，FENGLIANG冯亮，ETA1RESEARCHONHIGHSTRENGTH，HIGHTOUGHNESSAND上接第8页3结论采用传统氧化物工艺可以制备温热疗法用CUZNTI铁氧体磁热材料；居里温度变化对ZN含量敏感，ZN含量增加使居里温度快速下降；材料成分为CU05ZNO5TI。FEL_GO4时居里温度为449，起始磁导率达8525，居里温度点磁导率的变化率达5O3，该组分的CUZNTI铁氧体可以作为自控温磁热材料应用于肿瘤温热疗法。参考文献1LIPEIRONG李培荣，WUZHIFANG吴知方，TANGXIAOLIANG唐小亮PRESENTSITUATIONOFCANCERHYPERTHERMIAMATERIALS温热疗法治癌材料现状JGLASSENAMEL玻璃与搪瓷，2005，331522YANXUGANG颜旭刚，LOUMINYI娄敏毅，WANGDEPING王德平PROGRESSONTHEPREPARATIONANDMEDICALAPPLICATIONOFMNZNFERRITE锰锌铁氧体材料的合成及其医学应用EJMATERREV材料导报，2005，19113403CAIXIAOJUN蔡小军，WUZHIFANG吴知方，LIYIJIU李义HIGHDAMAGETOLERANTTITANIUMALLOYTC21EJTITANIUMINDUSTRYPROCESS钛工业进展，2004，21122ZHUZHISHOU朱知寿，ZHOUXIAOHU周晓虎，WANGXINNAN王新南，ETA1ANEWJ3FORGINGPROCESSINGRESEARCHFORHIGHSTRENGTH，HIGHTOUGHNESSANDHIGHDAMAGETOLERANTTITANIUMALLOY高强韧损伤容限钛合金新型B锻造工艺研究JRAREMETALMATERENG稀有金属材料与工程，2005，343539ZHUZHISHOU朱知寿，ZHENGYONGLING郑永灵，WANGXINNAN王新南，ETA1ANEWBFORGINGPROCESSINGFORDAMAGETOLERANCETITANIUMALLOYS损伤容限型钛合金新型8锻造工艺_JTRANSNONFERROUSMETALSSOCCHINA中国有色金属学报，2004SUPP1128刘庄，吴肇基热处理过程的数值模拟M北京科学出版社，1996SHAOHUIG晖，ZHAOYONGQING赵永庆，GEPENG葛鹏THETEMPERATURESIMULATIONOFHEATINGANDCOOLINGINTB6TITANIUMALLOYTB6钛合金升降温过程中的温度场模拟JTITANIUMINDUSTRYPROCESS钛工业进展，2009，26334WANGKAIXUAN王凯旋，ZENGWEIDONG曾卫东，ZHAOYONGQING赵永庆，ETA1QUANTIFICATIONOFMICROSTRUCTURALFEATURESINTITANIUMALLOYSBASEDONSTEREOLOGY基于体视学原理的钛合金显微组织定量分析JRAREMETALMATERENG稀有金属材料与工程，2009，383388责任编辑何欣九THERMOMAGNETICFE