形状比对TC4-DT钛合金厚板轧制变形渗透性影响规律

黄先明，刘江林，曾卫东，谢英杰，戴　毅，李　辉

(1.西部钛业有限责任公司，陕西　西安　710201)(2.西北工业大学　凝固技术国家重点实验室,陕西　西安　710072)



形状比对TC4-DT钛合金厚板轧制变形渗透性影响规律

黄先明1，刘江林2，曾卫东2，谢英杰1，戴毅1，李辉1

(1.西部钛业有限责任公司，陕西西安710201)(2.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072)

基于热模拟压缩试验得到的流变应力曲线，建立了TC4-DT钛合金厚板单道次热轧模拟仿真平台，对不同压下率和形状比条件下的热轧过程进行仿真分析，以等效塑性应变为0.2作为透性衡量指标，研究了板坯厚度方向变形渗透规律。经拟合，得到TC4-DT钛合金轧制时形状比(SR)与变形渗透深度的经验公式为：y=29.1exp(3.2SR)-60.66。提高形状比可显著改善TC4-DT钛合金厚板心部的变形程度，提高板材的一次合格率。

TC4-DT钛合金；厚板；热轧；变形渗透性；有限元

0　引　言

钛及钛合金具有低密度、高强度、耐热、耐蚀等特性，是优质的结构材料，在航空航天、能源化工及汽车等领域具有广泛的用途。以TC4和TC4-DT为代表的钛合金厚板，是大飞机、新型战机的关键材料之一。随着新型飞机朝着大型化、高减重、长寿命的方向不断发展，对可显著提高飞机结构效益的钛合金厚板的需求明显增加。另外，钛合金厚板在舰船和海洋工程中的应用日益增加，如深海潜水器载人舱等。

由于钛合金厚板或特厚板中心变形程度直接影响到其力学性能和探伤结果等，因此从表面到中心的变形渗透及组织均匀性成为轧制规程设计的关键问题。轧制变形渗透性可以借助于径向锻造锻透性[1]进行分析研究。关于锻透性，周旭东等[2]依据经验法提出了计算锻透深度的公式；基于解析方法，杨时勇[3-4]借助于物理模拟实验的摩尔方法，分析了位移场和应变场，同时使用滑移线法对径向锻造工艺的锻透性进行了系统研究；基于有限元方法，周旭东等[5-6]定量分析了锻透性和压下量及轴向送进时间的关系；胡宗式[7]基于微观组织观测定性评判了压下量对锻透性的影响。目前，在板材轧制领域，有文献[1-2]提出了使用高形状比改善心部变形渗透性的轧制工艺；李丽敏等[8]提出了使用εmax/εmin作为衡量轧透性的方法；于爽等[9]通过模拟分析、微观组织观测等手段分析了形状比对钢板内部质量的影响，证明了高形状比有利于改善厚板内部质量,提高钢板的合格率；马兴云[10]使用Q345q钻孔板坯单道次轧制试验，研究了形状比与变形渗透性的影响规律，给出了实际生产需要达到的形状比数值。图1为形状比(SR，轧制变形接触区弧长在轧制方向的投影与轧件平均厚度之比)不同的板材轧制示意图。

图1　形状比(SR)不同的板材轧制示意图Fig.1　　　　Plate rolling schematic diagram of titanium plate under different SR

资料[6]显示，在保证轧机能力的前提下，SR越大，则板坯中心变形渗透越充分。但是，目前国内外对钛合金热轧厚板中心变形渗透性的研究鲜见报道，使用试错法必然带来人力、物力和财力问题。本研究通过轴对称等温压缩试验，得到不同温度和应变速率条件下TC4-DT钛合金流变应力数据，分别建立了两相区和单相区本构关系模型，再通过URPFLO.F子程序接口建立了TC4-DT钛合金本构关系子程序，进而搭建TC4-DT钛合金厚板单道次热轧过程仿真平台，研究形状比和压下量对变形渗透性的影响规律。

1　有限元模型

在板材轧制变形过程中，各道次来料宽度与厚度的比值较大，因此通常认为板带的热轧过程是一个平面变形过程，可建立二维有限元模型来模拟该过程。再者，本研究重点在形状比对板材中心变形渗透的影响，二维模型分析更直观有效。根据板材轧制的对称性，取轧件的一半与一个轧辊建立几何模型。

1.1材料模型

金属材料的热变形是一个热激活的过程，应变速率和变形温度可以通过Zener-Holloman参数作用于Arrhenius方程中，Z参数及Arrhenius方程的三种形式分别如式(1)、(2)、(3)和(4)所示[11]。

(1)

(2)

(3)

(4)

确定材料常数以后，利用Z参数与材料常数表示的本构方程见下式：

(5)

从文献[12]得知，两相区与单相区得到的材料常数具有显著差别，所以将材料常数计算分为两个区进行，见图2。得到的TC4-DT钛合金本构关系模型如下。

基于此模型，借助MSC_Marc有限元软件子程序接口URPFLO.F，建立TC4-DT钛合金本构子程序。

1.2位移边界条件设置

轧件在厚度方向为对称图形，对称面在厚度方向不应有位移，因此Y向位移等于0。

图2　材料常数拟合关系曲线Fig.2　The relationship curves of material constants fitting

轧件进入辊缝前，如果没有初始速度或外力则无法进入辊缝，本模拟计算中在轧件上施加重力方向和轧向体积载荷(Global load)，当轧件送进辊缝后，在轧辊摩擦力作用下建立稳定的咬入过程后即可释放这一边界条件，使其按照正常轧制过程轧制。

1.3传热边界条件设置

轧件的自由表面与周围环境存在对流和辐射换热，传热边界可统一为式(6)：

(6)

式中，q1为自由表面与环境之间的热交换系数，T为轧件表面温度，T∞为环境温度，α为综合换热系数。

α可由式(7)给出：

α=h+hr

(7)

式中，h为对流换热系数，hr为辐射换热系数。

hr可由式(8)给出：

(8)

式中，σ为波尔兹曼常数，E为热辐射率(这里取0.8)。

由式(7)和(8)可以确定综合换热系数α=0.17 kW/(m2·℃)。在Marc程序中α作为传热边界条件输入，因对称面无传热，所以只在模型的3个面上施加该边界条件，如图3所示。

1.4接触边界条件设置

接触是边界条件高度非线性的复杂问题，需要准确追踪接触前多个物体的运动及接触后各个物体之间的相互作用，同时还要兼顾接触面之间的摩擦行为及接触传热。首先，产生接触的两个物体需满足无穿透约束条件。接触边界条件包括机械边界、热边界和摩擦边界。机械边界如上述只需定义物体

图3　TC4-DT钛合金板材热轧有限元模型Fig.3　Hot rolling FE model of TC4-DT titanium alloy plate

的运动约束和相互作用，程序会自动探测接触区域，施加接触约束条件。计算中，定义轧件为变形体，且上下两层单元为接触单元；轧辊为刚性体，认为轧制过程中热平衡时具有恒温200 ℃，且轧辊被赋以初始转速，轧件在Global load作用下进入辊缝，并在摩擦力作用下被咬入，轧件与轧辊之间的接触热传导可以表示为式(9)：

q2=Hc(Td-T)

(9)

式中:q2为轧辊与轧件之间的接触导热系数；Hc为接触传热系数，对于TC4-DT钛合金板材轧制,取Hc=10 kW/(m2·℃)，最终建立稳定的轧制过程；Td为轧件表面温度；T为与轧件接触的轧辊表面温度(T=200 ℃)。Hc可作为接触传热边界条件输入。

本模型作为热力耦合的接触分析，塑性功转化的热和摩擦生热分别当作体积热流和表面热流来处理。对金属来讲，功热转换系数(f)定义为0.9。在考虑摩擦生热时，将摩擦产生的热流分别平分到接触的两个物体表面，作为表面热流加热接触体。

厚度为220 mm的TC4-DT钛合金板材热轧(轧辊直径为830 mm)变形渗透模拟方案见表1。

表1TC4-DT钛合金板材热轧变形渗透模拟方案

Table 1　　　　Simulation scheme of hot rolling deformation penetration of TC4-DT titanium alloy plate

2　模拟结果分析

图4给出了压下量不同的板材轧制变形渗透程度模拟图(以等效塑性应变0.2[8]为变形渗透阈值)。从图中可以看出，随着压下量增加，变形渗透深度逐渐增加(深灰色部分为渗透区)，当到达一定压下量后，渗透区逐渐穿越板材中心，视为板材变形充分。但是，随着变形量增加，浅灰色区域出现并逐渐增厚，此区域为等效应变小于0.2的区域，其产生的原因是：随着轧制压下量增加，在轧件表层厚度方向产生变形“死区”，此区域的厚度随压下量升高逐渐增厚，正是此区域的存在增加了厚板热轧时中心的变形程度，有利于板材热轧变形渗透。

图4　压下量不同的轧制形变深度模拟图Fig.4　　　　Simulated diagrams of rolling deformation depth under different reduction

表2列出了不同形状比时板材热轧变形渗透程度。

表2　TC4-DT钛合金板材热轧变形渗透模拟结果

为了定量描述形状比与变形深度之间的关系，拟合表2中SR与变形渗透深度数据(见图5)，得出拟合经验公式为：y=29.1exp(3.2SR)-60.66。从该拟合公式可以得出，钛合金板材轧制厚度方向变形深度与形状比呈指数关系，提高形状比可显著改善厚规格钛合金板材的心部变形程度，提高钛合金板材的一次合格率。

图5　　　　热轧TC4-DT钛合金板材时形状比与变形深度的关系曲线Fig.5　　　　Relationship between deformation depth and SR for hot rolling TC4-DT titanium alloy plate

表3给出了热轧TC4-DT钛合金板材时3种形状比条件下变形渗透的模拟结果与拟合公式计算结果的对比。分析表中数据可以看出，此拟合公式具有较高的精度。

表3　　　　热轧TC4-DT钛合金板材时3种形状比下变形渗透模拟结果与拟合公式计算结果对比

3　结　论

(1)通过等温热模拟压缩试验获得TC4-DT钛合金流变应力数据，建立了该合金两相区和单相区本构关系模型，并将其写入子程序URPFLO.F中。基于Marc建立了TC4-DT钛合金厚板轧制过程仿真平台,并对不同SR条件下的热轧过程进行仿真分析。经拟合得出TC4-DT钛合金轧制时SR与变形渗透深度的经验公式为：y=29.1exp(3.2SR)-60.66。

(2)TC4-DT钛合金板材轧制厚度方向变形深度与形状比呈指数关系，提高形状比可显著改善厚规格钛合金板材的心部变形程度，提高钛合金板材的一次合格率。

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Influence of Shape-ratio on Rolling Deformation Penetration of TC4-DT Titanium Alloy Thick Plate

Huang Xianming1,Liu Jianglin2,Zeng Weidong2,Xie Yingjie1,Dai Yi1,Li Hui1

(1.Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710201，China) (2.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The single-pass hot rolling platform of TC4-DT titanium alloy thick plate was established based on the flow stress data obtained from compression tests. Several conditions under different screw-rate and shape ratio were simulated on the platform. The equivalent plastic strain of 0.2 was selected to measure deformation penetration, which studied the deformation penetrating law along the slab thickness direction.The experience formula about the shape ratio(SR) and the deformation penetration depth of TC4-DT titanium alloy were obtained，which wasy=29.1exp(3.2SR)-60.66.The core deformation degree of TC4-DT titanium alloy thick plate increased obviously by the increasing of shape ration,and the once pass rate could also be increased.

TC4-DT titanium alloy; thick plate; hot rolling; deformation penetration; finite element

2015-05-07

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2012KTZB01-03);教育部“新世纪优秀人才支持计划”项目(NCET-07-0696)

黄先明(1982—)，男，工程师。

TG337.6

A

1009-9964(2016)01-0028-05