基于Jmatpro和Deform的鈦合金試件熱處理模擬

劉馨宇, 謝本昌, 王業雙, 張 迪, 岑耀東, 陳 林

(內蒙古科技大學 材料與冶金學院(稀土學院), 內蒙古 包頭 014010)

鈦合金由于具有比強度高、密度小、焊接性好、熱穩定性好等優點,可作為承力結構材料廣泛應用于軍事、航空航天、醫用填充物、醫療器械、體育器械和海洋工程等領域[1-2]。但目前國產鈦合金試件在熱處理后經常存在綜合性能不合格、產品殘余應力和畸變大等一系列問題,尤其在大尺寸復雜試件上問題更為突出,極大降低了產品在使用過程中的精度及質量,因此有必要通過數值模擬對鈦合金在熱處理過程中的溫度、應力及變形等變化規律進行研究。王文等[3]對TC4鈦合金在熱處理過程中的溫度場、應力場的動態變化規律進行模擬研究,為減小工件的變形提供了一定的指導意義;王偉[4]對TC4鈦合金工件的熱處理過程進行模擬研究,發現其變形量與退火溫度具有正相關關系;盧政等[5]對TA15鈦合金在不同退火溫度下的殘余應力變化規律進行了模擬研究,并結合力學性能確定了最佳回火溫度;張睿等[6]對TA15鈦合金鍛件熱處理過程中的溫度場進行數值模擬,發現通過分段加熱方式可以改善鍛件連續加熱時的溫度分布不均勻現象。本文以某廠生產的TC4鈦合金試件為研究對象,利用Jmatpro和Deform軟件對其固溶時效過程進行模擬,分析試件在熱處理過程中的溫度場、應力場等變化規律,為復雜試件的熱處理工藝開發提供一定的理論依據和指導。

1 試件熱處理有限元模型建立

TC4鈦合金的化學成分如表1所示,并基于此利用Jmatpro軟件建立模擬所需TC4鈦合金材料文件,并將密度、熱導率、比熱、泊松比、彈性模量、線膨脹系數等參數導入Deform中用于計算,上述材料參數均隨溫度變化。利用UG軟件對鈦合金試件進行建模,導入Deform中后,綜合考慮模擬精度及計算效率,并將試件劃分為32 000個四面體網格。

表1 TC4鈦合金的化學成分(質量分數,%)

為了明確掌握試件在熱處理過程中的溫度場、應力場等變化規律,明確單純熱處理作用對試件的影響,僅對自由狀態下的試件熱處理過程進行模擬,即試件在熱處理過程中只受熱的作用,而不受其它任何外加載荷作用,也不考慮試件熱處理前的初始應力和變形狀態。

該國產TC4鈦合金試件呈“A”字形,其長、寬、高方向的大致尺寸分別為700、500、90 mm,且在“A”字形試件頂端和兩腳處有螺栓孔,其中螺栓孔大小分別約為φ40 mm和80 mm。固溶-時效工藝為900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC,由于時效過程保溫時間過長,且模擬過程只考慮熱的作用,故為提高計算效率,采用900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×1 h, AC的模擬方案,并根據經驗設定試件在不同介質下的對流換熱系數進行計算。并對該試件的相關數據進行分析說明。

2 有限元模擬結果分析

2.1 溫度場模擬結果

鈦合金試件在固溶和時效兩階段冷卻過程中,由于冷卻后期試件中溫度梯度變化不明顯,故各取4個特征時間點進行分析。此“A”字形試件在頂端和兩腳螺栓孔處由于尺寸較小,故冷速較快,與其它部位存在一定的溫度梯度。根據Deform模擬結果,用試件中最大溫度與最小溫度之差表示溫度梯度,并將統計數據列于表2。

由表2可知,TC4鈦合金試件在熱處理過程中隨冷卻過程的進行,溫度梯度逐漸減小,且冷卻后期,固溶冷卻過程與時效冷卻過程的溫度梯度逐漸接近,這是由于固溶和時效冷卻時間較長,冷卻后期試件各部位溫度逐漸趨于均勻。對比固溶冷卻過程與時效冷卻過程的溫度梯度,也可發現時效冷卻過程中試件產生的溫度梯度遠小于固溶冷卻過程,這是固溶水冷冷速遠大于時效空冷冷速所導致的。根據上述分析,也可推測此鈦合金試件在固溶加熱過程和時效加熱過程也存在一定的溫度梯度,其變化規律與冷卻過程相似。

表2 TC4鈦合金試件在固溶和時效冷卻過程中的溫度梯度

由于試件在固溶冷卻過程中產生的溫度梯度遠大于時效冷卻過程,勢必使試件在固溶冷卻后,各部位由于冷速不同而獲得不同的組織。采用Jmatpro軟件預測TC4鈦合金在900 ℃固溶后不同冷速下的組織轉變情況,結果如圖1所示。由圖1可知,TC4鈦合金在0.1 ℃/s和1 ℃/s冷速下,組織轉變規律基本相同,隨溫度降低,α相含量逐漸升高后趨于穩定,但0.1 ℃/s冷速下α相的轉變量約為95%,1 ℃/s冷速下α相的轉變量約為85%,而在10 ℃/s冷速下,α相含量基本不變,約為52%,β相含量先趨于穩定,在700 ℃時急劇降低,400 ℃時轉變為零;同時組織中會產生馬氏體相,轉變量約為48%。由于鈦合金中的馬氏體相是置換固溶體,以至于沒有強烈的硬化和強化效應。通常不采用馬氏體相作為最終產物,而是將馬氏體相作為過渡相,對其進行重新加熱,分解出彌散分布的α相與β相,產生析出強化[7-8]。由于此“A”型試件在頂端和兩腳螺栓孔處冷速較大,高于10 ℃/s,故會使試件各部分性能不均勻,影響其使用精度和質量,因此,有必要對其進行合理的時效處理,以滿足實際的使用要求。

圖1 TC4鈦合金900 ℃固溶后不同冷速下的組織轉變

為了進一步分析時效處理對TC4鈦合金組織和性能的影響,采用箱式電阻爐對該試件進行900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC的固溶時效處理,按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》采用GNT300電子萬能試驗機進行拉伸性能測試,位移速率為0.01 mm/s,試樣工作區直徑為φ5 mm,原始標距為25 mm。測試結果表明,其屈服強度為1059 MPa,抗拉強度為1169 MPa,伸長率為13.2%,拉伸斷口形貌如圖2所示,可見斷口均勻分布著大小不一的韌窩,為韌性斷裂,可滿足該工件的一般實際使用要求。圖3為該工藝下的顯微組織,此組織與鄒海貝[9]通過SEM、XRD、TEM等手段對TC4鈦合金在不同熱處理工藝下的組織具有一致性,時效處理后組織中不存在細針狀α′馬氏體,由初生等軸α相和彌散分布的析出相(時效α相、時效β相)組成。

圖2 TC4鈦合金經900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC固溶時效處理后的拉伸斷口形貌

圖3 TC4鈦合金經900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC固溶時效處理后的顯微組織

2.2 應力及變形模擬結果

根據模擬分析結果,此TC4鈦合金試件在固溶時效過程中存在顯著的溫度分布不均勻現象。根據熱力學原理,當試件不同位置存在溫度梯度時,會使試件在加熱和冷卻過程中產生一定的膨脹量和收縮量,進而產生熱應力,熱應力會進一步誘發熱變形,并使其在熱處理結束后產生畸變,當試件的畸變量較大時,會嚴重影響其使用質量。

以固溶冷卻過程為例,對比上述各冷卻時間下的溫度場模擬結果分析,得出TC4鈦合金試件對應的最大等效應力模擬結果,如表3所示。由表3可知,當冷卻時間由20 s增加到40、60和300 s時,試件產生的最大等效應力分別為205、398、290和120 MPa,即在冷卻初期(20～40 s),試件在較高的溫度梯度下保留時間越長,產生的熱應力越大,直到固溶冷卻后期,冷卻時間為300 s時,溫度梯度降低到61.1 ℃,最大等效應力降至120 MPa。而時效冷卻過程中的等效應力變化不明顯,且試件在固溶冷卻后的最大等效應力為65.6 MPa,而時效冷卻后的最大等效應力降至35.3 MPa,較固溶冷卻后顯著降低,這是由于時效過程的冷速較慢,試件的溫度梯度較固溶冷卻過程小。

表3 TC4合金試件在固溶和時效冷卻過程中的最大等效應力

根據有限元模擬結果,可推測此“A”型試件在固溶時效處理時頂端螺栓孔處的溫度梯度和應力最大,綜合使用性能易不達標,故利用Deform軟件計算數據繪出“A”型試件頂端螺栓孔處在全位移狀態下的變形量隨時間的變化曲線,如圖4所示。由圖4可知,試件在固溶時效處理過程中的變形量呈迅速增大-穩定-迅速減小-增大-穩定-逐漸減小的趨勢。在整個固溶時效處理過程中,900 ℃保溫結束時試件的變形量最大,約為6.92 mm,之后在水冷階段迅速降低到0.18 mm,在540 ℃保溫時增加到3.66 mm并保持穩定,之后在空冷過程中逐漸降低到0.77 mm。固溶時效處理結束后,此試件產生的畸變量不大。

圖4 TC4合金試件在全位移狀態下的變形量隨時間變化的曲線

3 結論

1) TC4鈦合金試件在固溶時效處理過程中各部位之間存在著一定的溫度梯度,且“A”型試件在900 ℃固溶冷卻時頂端和兩腳處冷速高于10 ℃/s,產生約為48%的馬氏體相,造成試件的綜合性能不均勻,有必要進行合理的時效處理。540 ℃時效處理后的組織中不存在細針狀α′馬氏體,由初生等軸α相和彌散分布的析出相(時效α相、時效β相)組成,屈服強度為1059 MPa,抗拉強度1169 MPa,伸長率為13.2%,可滿足工廠一般使用要求。

2) TC4鈦合金“A”型試件在固溶時效處理過程中存在的溫度梯度會產生熱應力,試件在固溶冷卻后的最大等效應力為65.6 MPa,而時效冷卻后的最大等效應力降至35.3 MPa,較固溶冷卻后顯著降低。

3)在固溶時效處理過程中,TC4鈦合金“A”型試件頂端螺栓孔處的溫度梯度和熱應力最大,其在熱處理過程中的畸變量呈迅速增大-穩定-迅速減小-增大-穩定-逐漸減小的趨勢,在固溶時效處理結束后,該部位的畸變量不大,為0.77 mm。