基于加工图的新型钛合金斜轧穿孔温度预测

采用GLeeble-3500热模拟机对新型海洋用钛合金Ti80进行压缩试验,研究了该合金流动应力在不同变形参数下的变化,并建立了高温本构方程和热加工图。由加工图中优化出的高功率耗散安全区,初步判断斜轧穿孔法制备Ti80合金无缝管坯时的棒料初始温度;并由有限元模拟及物理实验予以验证。结果表明:在同一应变速率下,Ti80合金流动应力对温度的敏感程度不同,在两相区变形,流变应力会随温度的降低而急剧增大;在单相区变形,流动应力则相差不大。建立的应变补偿型Arrhenius双曲正弦函数,经验证能够准确预测流动应力的变化。所绘热加工图明确指出了Ti80合金热塑性成型时2个优化的工艺窗口:一是在两相区低应变速率,即925~975℃/0.01~0.1 s^-1附近;二是在单相区中等应变率,即1050~1100℃/0.1~1s^-1附近。进一步对棒料初始温度在950、1050和1100℃条件下的斜轧穿孔过程进行三维热力耦合有限元模拟,发现950℃穿孔时顶头轴向力会激增为单相区穿孔时的5~6倍,从而导致轧卡;而单相区穿孔均能顺利进行。为降低能耗,最终确定棒料初始温度1050℃为最优穿孔温度,并且在狄舍尔斜轧穿孔机上一火次成功试制出Ti80合金无缝管坯。

斜轧穿孔法制备Ti80合金无缝管工艺分析

运用有限元技术模拟了两辊斜轧穿孔法制备Ti80合金无缝管坯的三维热力耦合过程。仿真结果能动态显示坯料从咬入到稳定穿孔再到穿出3个阶段复杂的塑性成形过程,并能辅助分析中心孔腔的形成机理以及坯料在穿孔阶段各物理场量的分布。结果表明:坯料刚接触顶头时,中心金属存在明显塑性变形,结合轧制中心线上不同方向的正应力状态为(+,-,+),判断中心孔腔的形成为拉应力作用下的塑性开裂。在穿孔过程中,坯料的应变分布沿轴向呈U1+W+2U2形态,沿径向为片层状,最终穿制毛管等效应变可达5~11;坯料的外表面与导盘接触区应变速率为0.71~3.6s-1,而与轧辊接触区高达4.6~26s-1,大的应变速率有助于毛管的塑性成形过程;顶头前坯料的温度最高,与穿孔工具接触的区域温度略有降低,但绝大部分变形区温度都处于单相区。模拟所得全流程顶头轴向力与轧制力的变化呈现典型的3阶段分布,其中稳定穿孔阶段力能参数的均值接近试验所得,从而验证了模型的准确性。基于有限元模拟的工艺条件,在实验轧机上一火次顺利穿制出Ti80合金无缝管坯,其显微组织展现为单一的魏氏组织形态,且由于变形剧烈,从外表面到中间层再到内表面均为等轴细小的β动态再结晶晶粒;力学性能测试表明该组织状态下的毛管的强度和塑性均满足指标要求。