鈦鋁復合板非等通道橫向共擠壓工藝優化

孫凱，薛新

（福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350116）

隨著現代科學技術的發展，特別是航天、航空、汽車等領域的發展，對材料的性能提出了更高的要求，其中輕量化、高強度設計在材料性能方面的要求越來越高[1—2]。大多數單一的金屬及合金材料不能同時滿足輕量化和高強度的設計要求。利用不同的復合技術將輕質合金和高強度合金材料復合在一起，既能滿足市場及客戶的要求，又能達到降低成本、提高效率的目的。以鋁基、鎂基、鈦基復合材料為代表的輕質高強度合金材料被廣泛研究[3—7]。鈦鋁復合材料以其優越的輕量化、高強度特性而受到國內外學者的廣泛關注，但是兩者較大的熱物理差異性增加了復合的難度，因此，探索新型的鈦鋁復合材料制備工藝對輕量化設計具有重要的指導意義。

近年來，鈦鋁異種金屬復合材料制備的方法成為國內外研究熱點，其中有爆炸焊接[8]、鑄造[9—10]、復合軋制[11]、等離子體燒結[12]、焊接[13—14]、超聲波固結[15]等方法，但是這些方法都有一定的局限性。比如復合軋制存在界面氧化問題；爆炸焊接操作危險，焊接接頭缺陷較大；超聲波固結只能復合厚度較小、強度較低的材料，鑄造精度難以控制等局限性。而鈦鋁異種合金復合擠壓成形法是一種封閉式擠壓，使成形的金屬與空氣隔離，可以防止金屬坯料的氧化層擠入復合模，從而有效保證兩種材料結合面清潔，保證其焊接熔合質量；避開了鈦和鋁的熱差異性帶來的成形困擾，擠壓力可直接轉換為焊接壓力；模具結構簡單，成形板材精度高，可控性強。關于鈦鋁異種合金復合擠壓成形法的研究報道較少。Grittner 等[16—17]在特定工藝條件下對純鈦和純鋁采用非等通道橫向共擠壓成形工藝成功制備了鈦鋁復合板，并分析了復合板界面微觀組織的演變機制，但是關于鈦鋁復合板共擠壓過程中材料的流變和型材擠壓變形行為分析的研究較少。

文中選用Ti6Al4V 和AA1050 合金為基材，通過DEFORM-3D 有限元軟件建立非等通道橫向共擠壓成形數值模型。基于數值模擬結果，分析了擠壓工藝參數對鈦鋁復合板共擠壓過程中流變行為的影響，為異種合金共擠壓制備工藝提供科學有效的實驗指導。

1 有限元建模

1.1 有限元模型的建立

選用DEFORM-3D 軟件進行建模仿真研究，用UG 三維造型軟件分別建立擠壓桿、上模、下模、鑲塊、鋁合金棒、鈦合金板的三維實體幾何模型。鈦鋁復合板非等通道橫向共擠壓模具結構如圖1 所示。

圖1 鈦鋁復合板非等通道橫向共擠壓模具結構示意圖Fig.1 Die structure of non-equal channel lateral co-extrusion for Ti/Al lamination

1.2 材料模型

采用的變形材料為Ti6Al4V 鈦合金和AA1050鋁合金這一對物理、化學性能差異較大的輕金屬材料，其熱物理性能參數如表1 所示，其中模具、鑲塊、擠壓桿材料均為H13 鋼。由于Ti6Al4V 鈦合金和AA1050 鋁合金在共擠壓成形中屬于大劇烈塑性變形，在擠壓成形過程中可采用剛塑性材料模型求解可以簡化有限元列式和計算過程，提高計算效率。模具、鑲塊、擠壓桿定義為剛體，鋁棒和鈦板定義為塑性體。

表1 Ti6Al4V 和AA1050 的熱物理性能參數Tab.1 Thermo-physical properties of AA1050 and Ti6Al4V

1.3 模擬工藝參數的設定

在前處理設置中，為節約模擬時間、減少接觸關系，將上模、下模、鑲塊合并成一個整體模具。為了提高計算結果的精度以及保證模擬過程中的網格質量，采用自適應網格重劃分技術。定義模具與鋁棒、鋁棒與擠壓桿之間的摩擦類型均為剪切摩擦，摩擦因系數均為0.3。定義鈦板與鋁棒、鈦板與模具的摩擦類型均為庫倫摩擦，摩擦因數分別為0.7 和0.1。AA1050 鋁合金棒材的直徑是Φ25 mm，共擠出鋁合金板材的厚度是 2.0 mm，鈦合金板材的厚度是0.8 mm，鈦鋁復合板的擠壓比為12，擠壓桿的擠壓速度梯度分別為1，2，3，4，5 mm/s，金屬坯料和模具的預熱溫度相同，即擠壓溫度梯度設定為400，420，440，460，480 ℃，金屬坯料與環境的對流系數是0.2 N/(s·mm·℃)。金屬坯料與模具接觸傳熱系數是11 N/(s·mm·℃)。

2 實驗

2.1 共擠壓過程中流變行為評估

在實際生產過程中，擠出型材橫截面在模具出口位置流動速率的均勻性直接影響到擠出型材的質量。擠出型材橫截面流動速率分布越均勻，擠出型材的翹曲變形越小，質量越好。為了準確描述鈦鋁復合板橫截面在模具擠壓出口位置流動速率的均勻，采用鈦鋁復合板橫截面的平均速度相對偏差來衡量鈦鋁復合板橫截面流動速率的均勻性。其平均速度相對偏差的計算方法見式（1）。

式中：vARD表示平均速度相對偏差；n表示在模具出口位置鋁板橫截面中層金屬的節點數；vi表示節點i處鋁板的流動速率；m表示在模具出口位置鈦板橫截面中層金屬的節點數；vj表示節點j處鈦板的流動速率；m與n的數量相等。vARD作為文中的一個優化目標。

最大擠出力能夠直接衡量擠出型材所消耗的最大能量，擠出力越大意味著擠出型材時所消耗的能量越大，成本越高，同時模具損傷的幾率越大，所以在擠壓過程中最大擠出力（maximum extrusion force）是一個重要的因素。文中將最大擠出力作為另外一個獨立的優化目標。

采用統計學優化方法信噪比來優化設定的兩個目標，在實際生產過程中，擠出型材橫截面的流動速率越均勻，型材的質量越好。同時，擠壓效率最高時最大擠出力越小，消耗的能量越小，成本越低，模具的損傷幾率越小，壽命越長。信噪比的靜態特性有3種形式：望小特性、望大特性、望目特性。所以文中采用信噪比中的望小特性，即優化目標值越小越好。信噪比的計算方法見式（2）。

式中：η表示信噪比S/N；yi表示第i次實驗中優化目標的響應值；n表示總的實驗次數。

2.2 實驗設計

文中主要研究了擠壓速度和擠壓溫度對平均速度相對偏差和最大擠出力的影響。根據正交實驗方法設計了擠壓速度和擠壓溫度兩因素五水平的正交實驗表，見表2。

表2 正交實驗設計的因素和水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal experimental design

3 結果與討論

3.1 優化結果及分析

為了研究擠壓速度和擠壓溫度對平均速度相對偏差和最大擠出力的影響，采用平均信噪比的數值來表示平均速度相對偏差和最大擠出力隨擠壓溫度和擠壓速度的變化規律。平均速度相對偏差和最大擠出力的平均信噪比數值見表3 和表4。

圖2a 表明擠壓溫度和擠壓速度對平均速度相對偏差的影響較小。雖然平均速度相對偏差隨著擠壓工藝參數的變化波動性很大，但是整體上波動的幅值較小。圖2b 表明擠壓溫度和擠壓速度對最大擠出力的影響呈線性變化趨勢，整體幅值變化較大。圖2 表明平均速度相對偏差與最大擠出力的最優工藝組合均為A5B1（480 ℃，1 mm/s）。

表3 平均速度相對偏差的平均信噪比Tab.3 Mean S/N for vARD

表4 最大擠出力的平均信噪比Tab.4 Mean S/N for maximum extrusion force

圖2 平均信噪比Fig.2 Mean S/N

這種高溫低速模式（480 ℃，1 mm/s）有利于減小最大擠出力和共擠壓過程中的翹曲變形。這是因為鋁合金材料的導熱率遠大于鈦合金材料的導熱率，共擠壓前期鋁棒在接觸鈦板之前，鋁棒各部分的溫度分布均勻性隨著擠壓的進行而快速提高，同時，導熱率較低的鈦板在鋁棒接觸之前，各部分的溫度分布均勻性也在提高，最終在共擠壓過程中兩種合金材料內部以及兩者之間的溫度分布均勻性偏差趨于最小。低速模式下材料的加工硬化速度與再結晶軟化的速度偏差不大，但材料內部和邊界處的受力情況不同，導致各部分的變形抗力不同。當低速模式與高溫模式耦合后，材料各部分的變形抗力偏差將會趨于最小，同時材料各部分的流動速率均勻性提高，最終使共擠壓過程中所需的最大擠出力減小，鈦鋁復合板的翹曲變形程度減小。

3.2 工藝參數的影響

3.2.1 工藝參數對平均速度相對偏差的影響

圖3 工藝參數對平均速度相對偏差的影響Fig.3 The effects of process parameters on the relative average velocity deviation

圖3c 表明擠壓速度和擠壓溫度整體上對平均速度相對偏差的影響不顯著。圖3a 表明，不同溫度梯度下，隨著擠壓速度的遞增，平均速度相對偏差在一個小的范圍內波動，整體波動的幅值較小，局部某些工藝參數下出現較大的波動。平均速度相對偏差整體波動幅值較小是因為隨著擠壓速度的提高，鈦板和鋁棒的流動速率均有不同程度的提高。而平均速度相對偏差指的是鋁棒相對于鈦板的流動速率偏差，故平均速度相對偏差的變化趨勢沒有明顯的增減性。平均速度相對偏差整體出現頻繁的波動是因為隨著擠壓速度的遞增，鋁棒和鈦板的流動速率整體上遞增的同時局部也存在一定的波動性，見圖4。而局部某些工藝組合下平均速度相對偏差出現較大的突變，可能是由于共擠壓過程中熱場-速度場的非線性耦合引起的。

圖3b 表明，不同速度梯度下，隨著擠壓溫度的增大，平均速度相對偏差整體變化幅度較小，局部存在少量的突變點。這是由于隨著擠壓溫度的提高，鈦板和鋁棒的變形抗力減小，兩者的流動速率整體呈上升的趨勢。平均速度相對偏差表現出強烈的波動性是因為兩者流動速率在整體提高的過程中局部存在較大的波動，見圖4。而平均速度相對偏差出現兩個較大的跳躍點可能的原因是熱-速度場的耦合的非線性程度較高，所以會產生局部較大的波動。

圖4 擠壓速度對平均流動速率的影響Fig.4 The effects of the extrusion speed on the average velocity

3.2.2 工藝參數對最大擠出力的影響

圖5c 表明，擠壓速度和擠壓溫度整體上對最大擠出力呈現明顯的變化趨勢。圖5a 表明最大擠出力隨著擠壓溫度的遞增呈現明顯的減小趨勢。不同速度梯度下，當溫度從400 ℃變化到480 ℃時，最大擠出力逐漸減小，同時整體上減小的趨勢較快。擠壓溫度與最大擠出力之間滿足基本的線性負相關性。擠壓速度為3 mm/s 和4 mm/s 時最大擠出力隨擠壓溫度的變化幅值基本相同。不同速度梯度下，隨著擠壓溫度的逐漸增大，鋁合金的塑性逐漸增強，同時其變形抗力逐漸減小，最終使得最大擠出力減小。擠壓速度為3 mm/s 和4 mm/s 時，最大擠出力的數值基本接近，可能的原因是兩種速度下鋁合金的變形抗力和塑性變形程度相近，所以導致兩種工藝組合下最大擠出力的數值十分接近。

圖5 工藝參數對最大擠出力的影響Fig.5 The effects of the process parameters on the maximum extrusion force

圖5b 表明，最大擠出力隨著擠壓速度的遞增存在明顯的增大趨勢。最大擠出力隨擠壓速度的遞增整體上不斷增大，但不同速度梯度范圍內最大擠出力增大的速率不同。不同溫度梯度下，擠壓速度從1 mm/s變化到3 mm/s 時，最大擠出力增大的速度較快；擠壓速度從3 mm/s 變化到5 mm/s 時，最大擠出力增大的速度明顯變慢。但是整體上擠壓速度與最大擠出力之間滿足基本的線性正相關。不同溫度梯度下，隨著擠壓速度的逐漸增大，鋁合金材料加工硬化的速度逐漸高于其再結晶軟化的速度，鋁合金材料的變形抗力增大，最終使得最大擠出力變大。最大擠出力隨擠壓速度的遞增而增大時，其增速先增大再減小，可能是因為鋁合金材料加工硬化的速度與其再結晶軟化速度的差值出現先增大再減小的變化趨勢。

3.3 方差分析

方差分析主要用于比較兩個或多個樣本的均值，可以評估各種因素對優化目標的影響程度。各因素的影響程度可用影響因子來描述。顯然，影響因子越大，該因素對優化目標的影響越大。

文中基于一般線性模型分析了工藝參數對平均速度相對偏差和最大擠出力的顯著性影響。表5 表明擠壓速度和擠壓溫度對平均速度相對偏差的影響因子分別為17.3%和17.4%。這意味著擠壓速度和擠壓溫度對平均速度相對偏差的影響較小。由圖4 可知，由于擠壓溫度和擠壓速度的增大，鋁棒和鈦板的流動速率整體上都有不同程度的增大，故平均速度相對偏差的變化幅值較小，所以工藝參數對平均速度相對偏差的影響較小。表6 表明擠壓速度和擠壓溫度對最大擠出力的影響因子分別為 89.4%和97.6%。這意味著擠壓速度和擠壓溫度對最大擠出力的影響很大。擠壓速度和擠壓溫度對平均速度相對偏差和最大擠出力的影響大小與平均速度相對偏差和最大擠出力隨擠壓溫度和擠壓速度的變化規律相似，即擠壓速度和擠壓溫度對平均速度相對偏差的影響較小時，平均速度相對偏差對擠壓速度和擠壓溫度的變化不敏感；擠壓速度和擠壓溫度對最大擠出力的影響較大時，最大擠出力對擠壓速度和擠壓溫度的變化敏感。

表5 工藝參數對平均速度相對偏差的顯著性影響Tab.5 The significant influences of the process parameters on the vARD

表6 工藝參數對最大擠出力的顯著性影響Tab.6 The significance influences of the process parameters on the maximum extrusion force

4 實驗驗證

圖2 表明，平均速度相對偏差和最大擠出力的最優工藝組合均為A5B1（480 ℃，1 mm/s）。采用兩組工藝參數進行實驗。實驗在DWD-T200 與GWX-1200加熱爐集成改裝的熱擠壓實驗平臺上進行如圖6a 所示。圖6b 為480 ℃，1 mm/s 工藝參數下共擠出鈦鋁復合板型材，該工藝下鋁合金同一橫截面流速差異性沒有完全消除，故鋁合金擠出頭部有少量的不平整現象，但是鋁板和鈦板之間沒有間隙，界面結合復合效果較好。圖6c 為480 ℃，2 mm/s 工藝參數下共擠出鈦鋁復合板型材，該工藝下鋁合金同一橫截面流速差異性也沒有完全消除，而且鋁板和鈦板之間存在輕微的翹曲變形。這是因為鋁板和鈦板在共擠出過程中相對的流動速率偏差較大，使得鋁板和鈦板復合界面出現一點細小的間隙，界面結合復合效果較差。圖6 表明最優工藝參數下共擠出鈦鋁復合板的結合情況優于其他工藝參數，與仿真結果能較好吻合。

圖6 非等通道橫向共擠壓鈦鋁復合板制備示意圖Fig.6 The preparation illustration of Ti/Al lamination by the non-equal channel lateral co-extrusion

5 結論

采用基于DEFORM-3D 軟件的剛塑性有限元法對鈦鋁異種合金非等通道橫向共擠壓成形進行數值建模，設計了擠壓速度和擠壓溫度對平均速度相對偏差和最大擠出力影響的正交實驗，結合統計學優化方法信噪比得到了影響平均速度相對偏差和最大擠出力的最優組合，分析了擠壓速度和擠壓溫度對優化目標的顯著性影響，最后采用最優工藝組合的參數進行了實驗驗證，結論如下。

1）特定成形工藝下，擠壓速度和擠壓溫度對鈦鋁復合板在模具出口位置共擠出時橫截面平均速度相對偏差的影響較小。擠壓速度與最大擠出力呈現正相關，擠壓溫度與最大擠出力呈現負相關。

2）采用信噪比優化后的平均速度相對偏差和最大擠出力的最優工藝組合為A5B1（480 ℃，1 mm/s）。這種高溫低速的工藝模式有助于減小最大擠出力和共擠壓過程中產生的翹曲變形程度。

3）通過方差分析發現擠壓速度和擠壓溫度對最大擠出力的顯著性影響明顯高于平均速度相對偏差，同時擠壓速度和擠壓溫度對平均速度相對偏差和最大擠出力的影響大小與平均速度相對偏差和最大擠出力隨擠壓溫度和擠壓速度的變化規律相似。

4）采用優化后的最優工藝組合的參數進行實驗，實驗結果中鈦鋁復合板基本沒有發生翹曲變形，界面結合復合效果較好，與仿真分析結果能較好吻合。