TC18 钛合金表面换热系数研究及测定

文／孟斌·国机重型装备集团股份有限公司

张海成，罗恒军·中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司

TC18 钛合金(名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)是俄罗斯于20 世纪60 年代开发的一种高强近β 钛合金，因其具备比强度高、塑性优良、工作温度范围宽、抗疲劳性和热处理淬透性好等优点，因而广泛应用于机身主承力梁、隔框、机翼部件以及起落架的扭力臂等飞机关键承力结构部件。这些关键部件大多采用热模锻成形后加工而成。

在TC18 钛合金锻件生产过程中，为进一步满足高质量、可靠性的产品需求，通常会在坯料上增加一些保护措施(润滑剂、保温棉等)。相应地，这些措施的使用又会对坯料质量造成一定的影响。例如，在锻造加热过程中，加热时间太短会使得坯料热不透，最终会影响锻件质量、增加成形难度；加热时间过长又会使得晶粒粗大，进而恶化性能，同时也会降低生产效率、增加能源损耗。另外，坯料从加热炉转移到模具是一个空冷降温的过程，该过程坯料的温降情况对始锻温度影响大，而始锻温度的高低直接会影响产品最终质量的好坏。

目前，国内外对TC18 钛合金的组织形貌、性能表征以及工艺参数方面研究较为广泛，而对实际工况下TC18 热力学参数测定方面的研究较少。因此，本文精确测定了不同工况条件下TC18 钛合金在升温和降温过程中温度变化情况，并利用实测数据及有限元分析软件DEFORM-3D 自带的反传热模块(Inverse Heat Transfer)获得了空气换热系数，旨在为TC18 钛合金热模锻成形高精度有限元模型的构建提供参考依据，并为TC18 钛合金锻件的实际生产提供数据支撑和相关建议。

实验材料及方法

实验材料

TC18 钛合金表面换热系数实验的试样制备情况如图1 所示。具体如下：

图1 待测定表面换热系数的试样制备

⑴试样：待测定表面换热系数的试样机械加工成如图1(a)所示的圆柱形，尺寸为φ60mm×50mm；在试样中心加工一个尺寸为φ3mm×3mm 的盲孔用于插入热电偶测温。

⑵润滑剂：试样表面提前用粗砂纸进行打磨，一方面是为了增加润滑剂涂覆效果，另一方面是为了更加接近产品的实际工况。选取两种企业常用的钛合金玻璃润滑剂(Ti-A、Ti-B)，涂覆后的试样如图1(b)所示。

⑶保温棉：选取企业中常用的保温棉，将圆柱试样包裹好后用铁丝进行加固，以防在实验过程中脱落进而影响实验效果。保温棉包裹后的试样如图1(c)所示。

实验过程

将箱式电阻炉加热到895℃，随后将样品放入(如图2(a)所示)，保温30min 后将试样取出空冷(如图2(b)所示)。整个升温和降温过程中利用热电偶测定试样中心点温度随时间的变化并进行记录。基于实测的温度变化数据，可借助DEFORM-3D 有限元分析软件的反传热模块，求解不同工况下试样的表面换热系数。

图2 相关实验过程照片

计算说明

待实验数据采集完成后，利用DEFORM-3D 反传热模块通过线性插值求解获得以温度为变量的换热系数。对于处理该类非线性数值问题，为了进一步提高换热系数的计算效率，算法优化控制可采用DEFORM-3D 反传热模块迭代算法BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)。当试样处于随炉升温阶段时，导入实测炉内升温曲线，试样的初始温度设定为20℃。随后在软件中输入测温点位置，将实测温度数据导入反传热模型中。温度控制点范围为20 ～900℃，间隔50 ～100℃进行选取。该过程中的表面换热系数边界值定义为0.00001 ～0.5N/(s·mm·℃)，表面换热系数预测值可设定为0.02N/(s·mm·℃)。由于试样在加热过程中的温度变化较为剧烈，为了计算效率的提高，求解模型可设置较大的时间步长(0.001 ～10s)，且每个时间步长允许的最大温度变化设定为1℃。

模拟结果分析

将反算优化后的求解结果(表面换热系数-温度变化曲线)导入数值模型中进行正向求解计算，同时输出试样中心点模拟温度曲线与实验曲线进行对比，结果如图3(a)所示，图中绿色线为模拟温度曲线，红色线为实测温度曲线。可以看出，反算优化后的表面换热系数模拟结果与实测数据的匹配度较好，证明了本方法的可行性，且预测的精度也是可接受的。最终所获得的TC18 钛合金在随炉升温阶段的表面换热系数如图3(b)所示，在0.10 ～0.25N/(s·mm·℃)范围内变化。

图3 升温曲线及其表面换热系数

试样空冷阶段初始温度设为895℃，环境温度设为20℃。将实测空冷温度曲线及测温点位置输入反传热模型中。每隔50 ～100℃定义确定模拟点，并将空冷过程中的表面换热系数边界值设为0.00001 ～1N/(s·mm·℃)，表面换热系数预测值设为0.02 N/(s·mm·℃)。模型求解时为了进一步提高计算效率，变时间步长设置在0.001 ～10s，且每个时间步长所允许的最大温度变化量为1℃。最终模拟结果如图4 所示，其空冷表面换热系数要比升温时低，在0.002 ～0.10 N/(s·mm·℃)范围内变化。

图4 降温曲线及其表面换热系数

再以同样的方法，在20 ～900℃温度范围之间，对不同工况条件下(包括无保护介质、涂覆Ti-A、涂覆Ti-B、包裹保温棉、保温棉+Ti-B)的TC18 钛合金试样的表面换热系数(升温和降温过程)进行测定，最终得到的结果如图5 所示。

图5 不同保护介质下的表面换热系数

结论

结果表明，相较于无保护介质，保温棉的保温效果最好，而涂覆Ti-A 与Ti-B 涂料后的保温效果次之；在随炉升温过程中，表面涂覆玻璃润滑剂(Ti-A、Ti-B)的TC18 钛合金试样的换热系数呈现出先快速增大再快速减小最后逐渐趋于平稳的规律。具体如下：

⑴无任何保护介质的TC18 钛合金试样在随炉升温过程中，其表面换热系数在0.10 ～0.25N/(s·mm·℃)的范围内变化。

⑵无任何保护介质的TC18 钛合金试样在空冷过程中，其表面换热系数要比升温过程的值低且波动较大，具体在0.02 ～0.10 N/(s·mm·℃)范围内变化。

⑶无论是随炉升温还是空冷降温，TC18 钛合金试样在加入保温棉后其换热系数均小于其他保温条件下的换热系数，且保温棉的保温效果最好。

⑷在随炉升温过程中，表面涂覆玻璃润滑剂(Ti-A、Ti-B)的TC18 钛合金试样的换热系数均会在100℃左右出现拐点；当继续升温到300℃以后时，其换热系数会趋于稳定。

⑸在空冷降温过程中，相较于无保护介质，表面涂覆玻璃润滑剂(Ti-A、Ti-B)会起到一定的保温效果，且保温效果Ti-A 略好于Ti-B。