TC18鈦合金等溫鍛造過程的數值模擬

盧金武，王 磊，范曉杰，張少輝

（西安莊信新材料科技有限公司，陜西 西安 710018）

TC18鈦合金（其名義成分：Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）屬于新型近β類型的高強鈦合金，其優異的力學性能、加工性能和使用性能，被廣泛用于航空、航天、石油、造船等領域［1-2］。在退火（M態）或鍛造（R態）狀態下強度最高可達1 080 MPa，并具有一定的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性；而在特殊的熱處理狀態下，強度可高達1 370 MPa。該合金可制成大型鍛件、模鍛件以及各類型的棒、管、板等不同形狀的材料，已被成功用于飛機的機身、機翼、起落架等高負載航空部件［3-4］。由于鈦合金熱加工溫度范圍較窄，變形抗力隨變形速度的增加較快，加工溫度對其變形抗力的影響十分顯著。

本文利用Deform-3D有限元分析軟件對TC18鈦合金的等溫鍛造過程進行了模擬，研究了變形溫度和應變速率等工藝參數對其變形過程中應變和應力分布的影響。

1 研究方法

根據TC18鈦合金的相變特點（Tβ＝875℃），選取β單相區的900℃，α+β雙相區的820℃和700℃三個特征溫度進行模擬，總變形量為70%，應變速率為0.01 s-1和1 s-1，試樣尺寸為φ45 mm×300 mm的TC18合金坯料。由于采用石墨作為潤滑措施，試樣與壓頭之間的摩擦因子取0.3。本研究TC18合金的高溫力學性能參數，是通過將構建的熱變形本構方程輸入Deform-3D材料庫中建立的。用Deform-3D網格劃分處理后建立的計算機數值模型如圖1所示，中間部位是經過四面體網格劃分的合金試樣，上下兩端為剛性體壓頭。

圖1 等溫鍛造計算機數值模擬模型（Deform-3D）

2 熱變形本構方程的建立

2.1 本構關系形式的選擇

合金的熱變形行為與其熱變形工藝參數密切相關，其兩者之間的關系可以通過本構關系（即本構方程）來體現，以表征材料的流動應力與熱變形參數或狀態（如：亞晶粒尺寸、位錯密度等）之間的相互關系。……