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摘要:文章基于有限元模擬技術及響應面方法，優化了tc21鈦合金單道次等通道擠壓過程的工藝參數設計。文章先考察了擠壓溫度、擠壓速度、摩擦系數及模具預熱溫度四個因素對擠壓成形過程的影響，并基于單因素分析的結果，采用Design－Expert軟件設計了四因素三水平的Box－Behnken試驗，以單道次TC21合金擠壓后的最大等效應變為響應值，優化了合金擠壓工藝參數設置條件。根據此工藝參數進行加工，優化模型與實際擬合良好，可用于指導后續的加工生產。
關鍵詞:等通道擠壓;TC21鈦合金;響應面分析;有限元模擬
金屬材料的晶粒尺寸對材料的性能產生顯著影響，高效、均勻的細化晶粒工藝一直是材料學界的研究重點［1］。傳統細晶工藝的關鍵是將金屬粉體致密化，其基本理論是將材料的微觀組織細化為幾個單位后，按一定的規則進行混合與組裝，以生產出細晶材料。通過這種加工工藝獲得的材料具有超高的表面清潔度，純度高，應用廣泛，但由于加工成本過高，這種工藝并未得到大規模推廣。上世紀90年代以來，等通道擠壓工藝的提出為生產細晶與超細晶材料提供了全新的研究方向，其原理如圖1所示［2］。相較于其它工藝，等通道擠壓在加工時金屬材料的截面尺寸，能對同一材料施加多道次累積應變，從而達到理想的晶粒細化效果，并獲得均勻的微觀組織，加工成本低、效率高。TC21合金是我國自行研制的損傷容限型鈦合金，由于具有比強度高、耐蝕性良好等優勢，該合金被廣泛應用于航空關鍵零部件的制造［3］。若能利用等通道擠壓工藝對TC21鈦合金進行加工，細化晶粒、提升原材料的基礎力學性能將為航空構件服役壽命的提升帶來積極影響［4］。本文基于有限元分析軟件DEFOＲM－3D考察了擠壓溫度、擠壓速度、模具預熱溫度及潤滑條件等工藝分別對TC21合金單道次等通道擠壓工藝成形的影響，并基于Box－Benhnken響應面分析模型將四因素的影響作用進行綜合，獲得了最佳成形工藝參數值，為后續研究提供指導。
1有限元模型的建立
本文利用法國達索公司的CATIA軟件建立壓頭、模具及坯料的三維模型。坯料的截面尺寸為10mm×10mm，高度40mm;通道的截面亦為10mm×10mm，轉角為90°。為簡化計算，在模型建立時省略了沖頭及模具的連接部位，只考慮了其工作部位。模型建立后輸出為STL格式導入DEFOＲM－3d軟件進行計算，如圖2所示。為了兼顧計算精度與效率，將坯料設置為塑性體后劃分5萬網格，將沖頭與模具設置為剛體。坯料TC21鈦合金在成形時的材料數據由Jmatpro軟件計算所得，其成形溫度范圍內的應力－應變曲線如圖3所示，而沖頭及模具選擇軟件材料庫中的“AISI－H－13”。利用軟件Deform－3D對TC21鈦合金的等通道擠壓過程進行熱力耦合的數值模擬，并基于單因素模擬建立Box－Benhnken響應面分析模型。有限元模擬中的擠壓溫度、擠壓速度、模具預熱溫度及摩擦因子等工藝參數的具體取值見表1。
2模擬結果分析
2.1擠壓溫度對擠壓過程的影響
圖4為TC21鈦合金最大等效應變值與應變量方差隨擠壓溫度的變化規律。從圖4可知隨著擠壓溫度的升高，最大等效應變呈現先升高后降低的趨勢。這是因為在一定范圍內，升高溫度降低了金屬的流動阻力，在相同的擠壓力下更易發生變形，使晶粒破碎細化;同時，適當的提升擠壓溫度可使鈦合金的位錯活性增加，更有利于發生動態回復及再結晶達到細化晶粒的作用。但是若持續上升擠壓溫度，將提高晶粒長大的速率，使大角度晶界不易形成，晶粒反而會產生一定程度的粗化。根據圖4的結果，初選鈦合金最佳擠壓溫度為950℃。
2.2擠壓速度對擠壓過程的影響
將擠壓速度與最大等效應變的關系繪制為圖5。當擠壓速度為3mm/s時，鈦合金坯料的最大等效應變出現極值。在較小的速度下擠壓，坯料受到的載荷較小，變形相對較小，晶粒細化作用不明顯。適當增大擠壓速度，增大壓下力，可以促進坯料的變形，從而細化晶粒。此時，坯料變形量的增加使更多的變形能轉變為材料內能，提升芯部區域溫度從而提高材料的動態再結晶發生率使晶粒得到細化。但擠壓速度的持續上升將釋放過多的內能，坯料變形時停留在高溫區的時間更長，易引發動態再結晶生成晶粒的二次長大，弱化細晶效果。此外，過大的擠壓速度將降低變形過程內外組織的均勻性，綜合考慮上述因素后，初選鈦合金的最佳擠壓速度為3mm/s。
2.3潤滑條件對擠壓過程的影響
潤滑狀況對TC21鈦合金的等通道擠壓過程產生顯著影響。逐步增大下模與鈦合金坯料間的摩擦，外側坯料由于摩擦阻力作用流動阻力提升，而中心金屬在壓頭的作用下流動速率幾乎不變，導致內外金屬的變形差異增大，增大了坯料的最大變形量。而摩擦作用將在外表面產生較多熱量，減小外部與芯部的溫度差異，降低鈦合金內外流動差異從而降低最大等效應變值。此外，摩擦生熱促進外部晶粒的二次長大，降低內外組織均勻性。進行單因素變量模擬時，摩擦系數為0.3時有最優的成形效果，在實際加工時也應選擇合適的潤滑劑提升制造質量。最大等效應變值與摩擦系數的關系如圖6所示。
2.4模具溫度對擠壓過程的影響
模具預熱溫度對擠壓過程的影響規律與潤滑條件相似，均通過改變坯料內外溫度梯度實現對擠壓過程的調控。考慮H13鋼的服役特性，本文分別將模具加熱至250℃、300℃、350℃、400℃后進行擠壓。如圖7所示，在250℃～350℃區間，最大等效應變呈現先上升后下降的趨勢，在300℃時最大等效應變達到第一個高峰是由于內外坯料溫差產生了流動性能差異，最終導致內外坯料的變形差異。繼續升高模具溫度，內外的溫度差減小，鈦合金坯料在變形時的平均溫度提升，提升了材料整體的流動性能最終使鈦合金坯料的最大等效應變量增大。根據以上兩點，綜合考慮升高模具溫度將降低模具使用壽命等因素，最終初選模具的預熱溫度為300℃。
2.5響應面實驗設計及結果分析
為了綜合考慮上述工藝因素對TC21鈦合金等通道擠壓過程的影響規律，本小節基于單因素有限元分析結果設計了響應面優化實驗。實驗以TC21鈦合金坯料的最大等效應變值為響應值(Y)，選擇擠壓溫度(X1)、擠壓速度(X2)、摩擦系數(X3)、模具溫度(X4)四個因素，設計了四因素三水平響應面實驗，實驗因素及水平見表2。Design－Expert軟件可以自動繪制響應面并分析。根據響應面分析的結果可知，四個工藝因素對TC21鈦合金等通道擠壓過程影響的重要程度依次為:摩擦系數＞擠壓速度＞擠壓溫度＞模具預熱溫度。通過對響應面回歸方程的求解，對TC21鈦合金坯料進行單道次等通道擠壓過程的加工，坯料的最大等效應變值可達1.6，此時的工藝條件為:擠壓溫度973.956℃、擠壓速度1.01884mm/s、摩擦系數0.499032、模具溫度322.325℃。結合實際工況，選擇最佳擠壓溫度為974℃、擠壓速度1mm/s、摩擦系數0.5、模具溫度320℃進行模擬驗證。此時鈦合金坯料的最大等效應變值為1.54，與響應面預測值的誤差僅3.75%，說明該響應面優化模型與實際擬合良好，結果可靠。
3結論
本研究基于有限元模擬技術及響應面分析方法對TC21鈦合金等通道擠壓過程進行了參數優化。文章首先基于單因素模擬優化的結果，采用Design－Expert軟件設計四因素三水平的Box－Behnken試驗，以單道次TC21合金擠壓后的最大等效應變為響應值，優化了合金擠壓工藝參數設置條件，擠壓溫度974℃、擠壓速度1mm/s、摩擦系數0.5、模具溫度320℃。根據此工藝參數進行加工，獲得的最大等效應變量為1.54，與響應面回歸方程預測的最大值誤差為3.75%，優化模型與實際擬合良好，可用于指導后續的加工生產。
參考文獻
［1］滕樹滿，滕海灝，等．通道擠壓制備鋁基細晶材料的研究進展［J］．材料導報，2020，34(S1):345－350．
［2］滕樹滿，滕海灝．7075鋁合金等通道擠壓過程工藝優化［J］．有色金屬加工，2020，49(4):44－48．
［3］夏玉峰，滕海灝，程千．電弧熔絲增材制造鎳基合金性能與流動應力模型［J］．材料熱處理學報，2020，41(8):141－147．
［4］謝鑫，孫前江，彭嘉豪，周建偉．TC21鈦合金熱變形行為［J］．中國有色金屬學報，2020，30(9):2048－2058．
作者:滕樹滿 尹慧 翟瑞志 單位:廣西柳州鋼鐵集團有限公司 中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司