刘馨宇, 谢本昌, 王业双, 张 迪, 岑耀东, 陈 林

(内蒙古科技大学 材料与冶金学院(稀土学院), 内蒙古 包头 014010)

钛合金由于具有比强度高、密度小、焊接性好、热稳定性好等优点,可作为承力结构材料广泛应用于军事、航空航天、医用填充物、医疗器械、体育器械和海洋工程等领域[1-2]。但目前国产钛合金试件在热处理后经常存在综合性能不合格、产品残余应力和畸变大等一系列问题,尤其在大尺寸复杂试件上问题更为突出,极大降低了产品在使用过程中的精度及质量,因此有必要通过数值模拟对钛合金在热处理过程中的温度、应力及变形等变化规律进行研究。王文等[3]对TC4钛合金在热处理过程中的温度场、应力场的动态变化规律进行模拟研究,为减小工件的变形提供了一定的指导意义;王伟[4]对TC4钛合金工件的热处理过程进行模拟研究,发现其变形量与退火温度具有正相关关系;卢政等[5]对TA15钛合金在不同退火温度下的残余应力变化规律进行了模拟研究,并结合力学性能确定了最佳回火温度;张睿等[6]对TA15钛合金锻件热处理过程中的温度场进行数值模拟,发现通过分段加热方式可以改善锻件连续加热时的温度分布不均匀现象。本文以某厂生产的TC4钛合金试件为研究对象,利用Jmatpro和Deform软件对其固溶时效过程进行模拟,分析试件在热处理过程中的温度场、应力场等变化规律,为复杂试件的热处理工艺开发提供一定的理论依据和指导。

1 试件热处理有限元模型建立

TC4钛合金的化学成分如表1所示,并基于此利用Jmatpro软件建立模拟所需TC4钛合金材料文件,并将密度、热导率、比热、泊松比、弹性模量、线膨胀系数等参数导入Deform中用于计算,上述材料参数均随温度变化。利用UG软件对钛合金试件进行建模,导入Deform中后,综合考虑模拟精度及计算效率,并将试件划分为32 000个四面体网格。

表1 TC4钛合金的化学成分(质量分数,%)

为了明确掌握试件在热处理过程中的温度场、应力场等变化规律,明确单纯热处理作用对试件的影响,仅对自由状态下的试件热处理过程进行模拟,即试件在热处理过程中只受热的作用,而不受其它任何外加载荷作用,也不考虑试件热处理前的初始应力和变形状态。

该国产TC4钛合金试件呈“A”字形,其长、宽、高方向的大致尺寸分别为700、500、90 mm,且在“A”字形试件顶端和两脚处有螺栓孔,其中螺栓孔大小分别约为φ40 mm和80 mm。固溶-时效工艺为900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC,由于时效过程保温时间过长,且模拟过程只考虑热的作用,故为提高计算效率,采用900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×1 h, AC的模拟方案,并根据经验设定试件在不同介质下的对流换热系数进行计算。并对该试件的相关数据进行分析说明。

2 有限元模拟结果分析

2.1 温度场模拟结果

钛合金试件在固溶和时效两阶段冷却过程中,由于冷却后期试件中温度梯度变化不明显,故各取4个特征时间点进行分析。此“A”字形试件在顶端和两脚螺栓孔处由于尺寸较小,故冷速较快,与其它部位存在一定的温度梯度。根据Deform模拟结果,用试件中最大温度与最小温度之差表示温度梯度,并将统计数据列于表2。

由表2可知,TC4钛合金试件在热处理过程中随冷却过程的进行,温度梯度逐渐减小,且冷却后期,固溶冷却过程与时效冷却过程的温度梯度逐渐接近,这是由于固溶和时效冷却时间较长,冷却后期试件各部位温度逐渐趋于均匀。对比固溶冷却过程与时效冷却过程的温度梯度,也可发现时效冷却过程中试件产生的温度梯度远小于固溶冷却过程,这是固溶水冷冷速远大于时效空冷冷速所导致的。根据上述分析,也可推测此钛合金试件在固溶加热过程和时效加热过程也存在一定的温度梯度,其变化规律与冷却过程相似。

表2 TC4钛合金试件在固溶和时效冷却过程中的温度梯度

由于试件在固溶冷却过程中产生的温度梯度远大于时效冷却过程,势必使试件在固溶冷却后,各部位由于冷速不同而获得不同的组织。采用Jmatpro软件预测TC4钛合金在900 ℃固溶后不同冷速下的组织转变情况,结果如图1所示。由图1可知,TC4钛合金在0.1 ℃/s和1 ℃/s冷速下,组织转变规律基本相同,随温度降低,α相含量逐渐升高后趋于稳定,但0.1 ℃/s冷速下α相的转变量约为95%,1 ℃/s冷速下α相的转变量约为85%,而在10 ℃/s冷速下,α相含量基本不变,约为52%,β相含量先趋于稳定,在700 ℃时急剧降低,400 ℃时转变为零;同时组织中会产生马氏体相,转变量约为48%。由于钛合金中的马氏体相是置换固溶体,以至于没有强烈的硬化和强化效应。通常不采用马氏体相作为最终产物,而是将马氏体相作为过渡相,对其进行重新加热,分解出弥散分布的α相与β相,产生析出强化[7-8]。由于此“A”型试件在顶端和两脚螺栓孔处冷速较大,高于10 ℃/s,故会使试件各部分性能不均匀,影响其使用精度和质量,因此,有必要对其进行合理的时效处理,以满足实际的使用要求。

图1 TC4钛合金900 ℃固溶后不同冷速下的组织转变

为了进一步分析时效处理对TC4钛合金组织和性能的影响,采用箱式电阻炉对该试件进行900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC的固溶时效处理,按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》采用GNT300电子万能试验机进行拉伸性能测试,位移速率为0.01 mm/s,试样工作区直径为φ5 mm,原始标距为25 mm。测试结果表明,其屈服强度为1059 MPa,抗拉强度为1169 MPa,伸长率为13.2%,拉伸断口形貌如图2所示,可见断口均匀分布着大小不一的韧窝,为韧性断裂,可满足该工件的一般实际使用要求。图3为该工艺下的显微组织,此组织与邹海贝[9]通过SEM、XRD、TEM等手段对TC4钛合金在不同热处理工艺下的组织具有一致性,时效处理后组织中不存在细针状α′马氏体,由初生等轴α相和弥散分布的析出相(时效α相、时效β相)组成。

图2 TC4钛合金经900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC固溶时效处理后的拉伸断口形貌

图3 TC4钛合金经900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC固溶时效处理后的显微组织

2.2 应力及变形模拟结果

根据模拟分析结果,此TC4钛合金试件在固溶时效过程中存在显著的温度分布不均匀现象。根据热力学原理,当试件不同位置存在温度梯度时,会使试件在加热和冷却过程中产生一定的膨胀量和收缩量,进而产生热应力,热应力会进一步诱发热变形,并使其在热处理结束后产生畸变,当试件的畸变量较大时,会严重影响其使用质量。

以固溶冷却过程为例,对比上述各冷却时间下的温度场模拟结果分析,得出TC4钛合金试件对应的最大等效应力模拟结果,如表3所示。由表3可知,当冷却时间由20 s增加到40、60和300 s时,试件产生的最大等效应力分别为205、398、290和120 MPa,即在冷却初期(20～40 s),试件在较高的温度梯度下保留时间越长,产生的热应力越大,直到固溶冷却后期,冷却时间为300 s时,温度梯度降低到61.1 ℃,最大等效应力降至120 MPa。而时效冷却过程中的等效应力变化不明显,且试件在固溶冷却后的最大等效应力为65.6 MPa,而时效冷却后的最大等效应力降至35.3 MPa,较固溶冷却后显著降低,这是由于时效过程的冷速较慢,试件的温度梯度较固溶冷却过程小。

表3 TC4合金试件在固溶和时效冷却过程中的最大等效应力

根据有限元模拟结果,可推测此“A”型试件在固溶时效处理时顶端螺栓孔处的温度梯度和应力最大,综合使用性能易不达标,故利用Deform软件计算数据绘出“A”型试件顶端螺栓孔处在全位移状态下的变形量随时间的变化曲线,如图4所示。由图4可知,试件在固溶时效处理过程中的变形量呈迅速增大-稳定-迅速减小-增大-稳定-逐渐减小的趋势。在整个固溶时效处理过程中,900 ℃保温结束时试件的变形量最大,约为6.92 mm,之后在水冷阶段迅速降低到0.18 mm,在540 ℃保温时增加到3.66 mm并保持稳定,之后在空冷过程中逐渐降低到0.77 mm。固溶时效处理结束后,此试件产生的畸变量不大。

图4 TC4合金试件在全位移状态下的变形量随时间变化的曲线

3 结论

1) TC4钛合金试件在固溶时效处理过程中各部位之间存在着一定的温度梯度,且“A”型试件在900 ℃固溶冷却时顶端和两脚处冷速高于10 ℃/s,产生约为48%的马氏体相,造成试件的综合性能不均匀,有必要进行合理的时效处理。540 ℃时效处理后的组织中不存在细针状α′马氏体,由初生等轴α相和弥散分布的析出相(时效α相、时效β相)组成,屈服强度为1059 MPa,抗拉强度1169 MPa,伸长率为13.2%,可满足工厂一般使用要求。

2) TC4钛合金“A”型试件在固溶时效处理过程中存在的温度梯度会产生热应力,试件在固溶冷却后的最大等效应力为65.6 MPa,而时效冷却后的最大等效应力降至35.3 MPa,较固溶冷却后显著降低。

3)在固溶时效处理过程中,TC4钛合金“A”型试件顶端螺栓孔处的温度梯度和热应力最大,其在热处理过程中的畸变量呈迅速增大-稳定-迅速减小-增大-稳定-逐渐减小的趋势,在固溶时效处理结束后,该部位的畸变量不大,为0.77 mm。