钛合金等通道转角挤压工艺的仿真分析.pdf

收稿日期：2023-04-18作者简介：李博（1987-），男，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事物理过程的计算机模拟方面的研究。钛合金等通道转角挤压工艺的仿真分析李博，丁小雪，于德军（鞍山师范学院 物理科学与技术学院，辽宁 鞍山 114005）摘要：本文采用刚粘塑性有限元法对钛合金的等通道转角挤压过程进行仿真模拟，研究了挤压过程的流变变形分布、应变分布和应力分布的特点，给出了不同外弧过渡角时的详细分布结果。结果表明：经典的总应变量主要由沿转角对角线方向的切应变提供；计算公式仅在外弧过渡角较小时比较准确，外弧过渡角较大时，必须考虑应变的不均匀性和过程的复杂性；通过优化，作为难变形材料的钛合金的等通道转角挤压工艺是可以实现的。关键词：有限元；钛合金；等通道转角挤压；应变中图分类号：TG376.2文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0092-05DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.03.017第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年 7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）金属材料的晶粒组织影响材料的使役性能。通常情况下，晶粒越细微，金属材料的性能越好。在材料铸造过程中，破碎粗大晶粒的经典加工工艺是镦拔工艺，通过反复的镦粗和拔长进行开坯锻造，破碎粗大晶粒，改善材料性能。镦拔工艺采用压力使工件发生塑性变形，在工件中产生的应变主要是正应变，切应变量较少。晶粒细化主要由切应变控制，晶粒通过剪切力被破碎为亚晶，亚晶继续破碎和再结晶，进一步生成细小晶粒。要实现晶粒细化，就要加大总的变形量，这就要求工件的材料具有良好的塑性。钛合金因塑性较差，明显不宜采用镦拔工艺。等通道转角挤压（ECAP）加工工艺是在转弯的横截面积不变的通道中通过挤压强制工件塑性变形，进而实现破碎晶粒的目的1-2。该工艺的好处是切应变量较大、可以反复加工、不改变工件形状，最重要的是使工件三面受压，大大减少了工件龟裂、破损的可能性。该工艺常用于获得超细晶，甚至纳米晶材料，在铝、镁及其合金的晶粒细化中已有了较充分的研究3-14。钛合金的晶粒细化和组织结构对其性能影响甚巨。由于钛合金的塑性较差，一直没有找到合适的加工方法。等通道转角挤压加工工艺有可能克服钛合金变形困难的难题。因为钛合金变形困难，常规的等通道转角挤压工艺不适用于钛合金加工，导致该工艺在钛合金加工方面的研究明显不足，所以，找到适用于钛合金的等通道转角挤压工艺的意义重大。文献1给出了在外弧过渡角为0时工件通过等通道转角挤压后的总应变量计算公式：N=2N3cot2（1）Iwahashi Yoshinori等15考虑到外弧过渡角的影响，修正了总应变量的计算公式：N=N32cot()2+2+cosec()2+2（2）式（2）在等通道转角挤压工艺的晶粒破碎程度评估中得到了较普遍的认可。有限元模拟16也证实了式（2），但未见关于应变的分布细节及详尽的变形过程等方面的研究。鉴于等通道转角挤压对钛合金晶粒细化和组织控制等方面的重要效能，加之其可能克服钛合金加工困难的现实，本文对TC4材料的等通道转角挤压加工过程进行了有限元模拟，重点研究了过渡角的影响，给出了应变分布的精细特征和详尽的变形过程，为该工艺的设计提供相关数据。1模拟方法图1为等通道转角挤压加工的工况剖面示意图17。实际通道的断面为正方形，V方向为压头挤压方向，压头下方为工件，为挤压角，为外弧过渡角。图1ECAP挤压加工的工况剖面本研究所用的有限元软件是 MSC.MARC 商业软件。模拟工件材料为TC4，设备部分设为恒温的传热刚体，工件变形考虑了摩擦和接触热交换的影响，具体模拟参数见表1。表1有限元模拟选用的主要通用参数参数名称工件温度/模具和压头温度/接触热交换系数/（kWm-2K-1）工件摩擦系数挤压角/过渡角/数值7002530.1900；30；60；902结果分析与讨论图2为不同外弧过渡角时的工件变形的网格形变结果，竖直部分为未变形部分，水平部分为通过转角后的已发生变形的部分。d=90a=0b=30c=60图2不同外弧过渡角工件网格形变结果由图2可知：未变形部分的网格均为正六面体网格，转角挤压后的网格都发生了一定的变形，正六面体网格大都被剪切力变为了平行六面体网格，剪切发生的位置就在图 1 所示的 AD 点连接线区域。图2a中的切应变比较均匀，基本符合式（1）和式（2）的描述。图2b、图2c、图2d中的切应变明显不均匀，但可以区分为两部分：一部分为切应变较大的区域；另一部分为切应变较小的区域，各部分的切应变比较均匀。通过图2不难发现：工件整体的平均切应变随外弧过渡角增大而变小，这一规律比较符合式（2）；随着外弧过渡角增大，切应变变得不均匀，切应变变小主要影响的是离外弧较近的部分区域，并且影响范围随外弧过渡角变大而扩大，局部应变结果不符合式（2）的表征。式（2）没有表征工件各部分变形不同的结果，仅适用于外弧过渡角较小的情况。外弧过渡角较小时，变形后工件的切应变较大且分布较均匀，有利于高效均匀地细化晶粒。较小的外弧过渡角适合于较易变形且塑性较好的材料，这也是该工艺广泛用于铝、镁及其合金加工中的缘故3-14。钛合金明显不适合外弧过渡角较小的情况，外第 3 期李博，等：钛合金等通道转角挤压工艺的仿真分析93第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）弧过渡角太小根本无法实现挤压，强行挤压会损坏模具，破碎工件。大外弧过渡角的模拟结果给出了钛合金等通道转角挤压的可能性，不均匀的切应变可以通过多道次加上转换每道次工件的方向来弥补。图3、图4给出了在不同外弧过渡角情况下，挤压过程中的塑性等效总应变和图1中AD方向的塑性切应变的分布等高线。d=90a=0b=30c=60图3塑性等效总应变分布等高线d=90a=0b=30c=60图4塑性切应变分布等高线图3a中的塑性等效总应变的等高线几乎都集中在转角AD连线区域和工件底部靠近模具外边缘的狭小的区域中，等高线几乎相互平行。这说明在外弧过渡角为 0 时，塑性变形的发生区域就在AD对角线上。变形后的工件整体应变分布均匀，靠近模具外边缘表面狭小区域内的不均匀应变造成的影响可以忽略。当外弧过渡角存在且增大时，由图3b、图3c、图3d的结果可知：AD方向的等高线逐渐发散且改变了平行分布，这说明工件在转角区域变形时塑性变形的同步程度逐渐降低，对工件材料的塑性要求也逐渐降低，这有利于塑性变形的实现。大外弧过渡角对钛合金的等通道转角挤压工艺的顺利实现有利。不利的是工件变形后靠近模具外边缘的等高线逐渐上移，塑性变形变小的影响范围逐渐扩大。由图3b和图3c可知：工件变形后的结果同样可分为两部分，进一步证实了图2中的结论。由图3d可知：当外弧过渡角过大时，塑性变形明显不均匀，整个变形逐渐往工件弯曲的变形规律上靠近，背离了通过等通道转角挤压实现塑性变形的目的。对比图3和图4不难发现：两者几乎完全相同，这充分地证明了塑性等效总应变完全来源于 AD方向的塑性切应变，这也是等通道转角挤压工艺在破碎晶粒方面明显优于镦拔工艺的内在原因。塑性变形中的应力分布情况对钛合金工件是否产生龟裂甚至破碎至关重要。在有限元模拟中，产生裂纹的判断准则通常是应力准则。应力情况是实施工艺的重要参考依据，决定着模具和压具的设计。在等通道转角挤压工艺中，切应力是总应力的主要组成部分，所以只要分析切应力的分布情况即可。图5给出了转角挤压过程中图1中AD方向的切应力分布云图。图5中不同灰度代表不同的应力值，深灰和亮灰代表应力已经超过了标尺条带的标示范围。d=90a=0b=30c=60图5AD方向切应力分布94由图5可见：AD连线附近均存在高切应力区域，这是由高切应变变形引起，无法完全规避；当外弧过渡角逐渐增大时，高应力区域和数值都在逐渐变小，这对于模具和压具的要求都会有所降低，有利于实施工艺；但当外弧过渡角较大时，如图5c和图5d，工件的切应力分布规律复杂，甚至有正高切应力存在（图中浅灰和亮灰区域），正高切应力主要存在于靠近外弧较近的部分区域，此区域的变形明显是经历了正切应变、负切应变和正切应变过程，累计的塑性等效总应变、塑性切应变不能完全反映整个的变形过程。虽然在图2、图3、图4的结果中，工件底部靠近外弧区域的累计变形较小，实际是正、反切应变抵消后的结果，这种反复剪切更有利于晶粒破碎。像镦拔工艺一样，经镦拔后的工件几乎回到了初始状态，虽然累计的应变很小，但经历了正反变形，同样可以达到破碎晶粒的目的。综上所述，等通道转角挤压工艺是通过转角迫使工件各部分依次发生切变变形，挤压角的大小决定了切变量的大小，正如式（1）描述的一样。外弧过渡角的存在可以减小模具对工件的阻抗，削弱了靠近其区域的累计剪切变形。但由于整个工件各部分是协同变形的，协同变形的过程反倒使削弱的区域经历了更复杂的变形过程，对于破碎晶粒的效果可以起到部分弥补作用。以累计应变的结果评估该工艺破碎晶粒的效果明显存在不足。式（2）只是反映了总应变量，而没有描述详尽的应变分布和变化过程。在设计针对钛合金合适的等通道转角挤压加工工艺时，应考虑如下建议：1）综合考虑钛合金的塑性和工件润滑，以及模具的承受能力，为了减小工艺实现的难度，应增加外弧过渡角，在6090范围内选取外弧过渡角比较合适；2）通过反复换向挤压克服切应变不均匀的缺点，换向就是在不同的挤压道次的工件沿挤压方向旋转一定的角度，让工件的表面变换靠近转折内角和外过渡弧，最终取得均匀破碎工件各部分晶粒的效果。3结论本文对TC4材料的等通道转角挤压加工过程进行了有限元仿真模拟，重点研究了过渡角的影响，给出了流变变形分布、应变分布、应力分布的精细特征。通过对结果的详尽分析和讨论，得到以下结论：1）等通道转角挤压加工过程的实际总应变与式（1）、式（2）基本吻合，总应变主要由沿转角对角线方向的切应变提供，该工艺是实现有效破碎晶粒的合适工艺。2）式（2）描述了有外弧过渡时的总应变结果，没有描述应变局部细节和变化的中间过程，实际应变存在不均匀性，其过程存在复杂性，式（2）直接用于评估破碎效果存在一定的局限性。3）等通道转角挤压工艺的外弧过渡角的存在有利于将该工艺扩展至钛合金的加工领域，大外弧过渡角对破碎晶粒的效果的影响未达到巨大的程度，其不均匀性可以通过换向挤压改善。参考文献1 SEGAL V M，REZNIKOV V I，DROBYSHEVSKII AE，et al.Plastic metal working by simple shear J.Russian Metallurgy，1981（1）：99-105.2 SEMIATIN S L，SEGAL V M，GOETZ R E，et al.Workability of a gamma titanium aluminide alloy during equalchannel angular extrusion J.Scripta Metallurgica et Materialia，1995，33（4）：535-540.3 NEJNOTO M，HORITA Z，FURUKAWA M，et al.Equal-channel angular pressing：A novel tool for microstructural control J.Metals&Materials，1998，4（6）：1 181-1 190.4张苏鹏，王军丽，章震威，等.等通道转角挤压制备超细晶材料的最新研究进展 J.材料热处理学报，2020，41（3）：1-14.5何云龙，江渝，张晓，等.板材连续剪切变形工艺研究现状及展望 J.热加工工艺，2014，43（7）：20-226 孙杰英.挤压道次对等通道转角挤压高纯铝微观组织第 3 期李博，等：钛合金等通道转角挤压工艺的仿真分析95第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）的影响 J.锻压技术，2023，48（3）：163-169.7 虞佳雯，曹晓卿，王利飞，等.等通道转角挤压对 Mg-4Zn-1Mn-0.2Ca合金显微组织与腐蚀性能的影响 J.锻压技术，2023，48（1）：103-107.8 HE S H，WANG C，SUN C，et al.Corrosion properties ofECAP-processedMg-Al-Ca-MnalloyswithseparateAl2Caand Mg2Ca phases J.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2022，32（8）：2 527-2 540.9 TANG L，PENG X Y，JIANG F Q，et al.Strong and ductileAl-Zn-Mg-Zr alloy obtained byequal angular pressingand subsequent agingJ.Transactions of NonferrousMetals Society of China，2022，32（5）：1 428-1 441.10EDWIN E，JIANG J H，BASSIOUNY S，et al.Influenceof Equal Channel Angular Pressing on MechanicalProperties of Mg-Li Alloys:An Overview J.Rare Metal Materials and Engineering，2022，51（2）：491-510.11张忠明，姚祎，任倩玉，等.工艺参数对2017铝合金ECAP变形影响的数值模拟研究 J.铸造技术，2017，38（12）：2 948-2 951.12 丁彦红，徐瑞.铝合金与镁合金的晶粒细化技术与发展 J.铸造技术，2017，38（1）：16-19.13莫纪平，程晓农，邓平安，等.多向压缩对7085铝合金挤压材组织和力学性能的影响 J.稀有金属材料与工程，2015，44（8）：2 003-2 006.14任国成，赵国群.变形温度对AZ31镁合金等通道转角挤压变形行为的影响 J.中国有色金属学报，2013，23（7）：1 789-1 795.15 IWAHASHI Y，WANG J T，HORITA Z，et al.Principleof equal-channel angular pressing for the processing ofultra-fine grained materialsJ.Scripta Materialia，1996，35（2）：143-146.16 YANG Y L，LEE S.Finite element analysis of strainconditions after equal channel angular extrusionJ.Journal of Materials Processing Technology，2003，140（1-3）：583-587.17 ZHAO W J，DING H，REN Y P，et al.Finite elementsimulation of deformation behavior of pure aluminumduring equal channel angular pressing J.Materials Science and Engineering：A，2005，410-411：348-352.Simulation Analysis of Equal Channel AngularExtrusion Process for Titanium AlloyLI Bo,DING Xiaoxue,YU Dejun（College of Physical Science and Technology,Anshan Normal University,Anshan 114005,Liaoning Province）Abstract：This article uses the rigid viscoplastic finite element method to simulate the equal channel angularextrusion process of titanium alloy,focusing on the characteristics of rheological deformation distribution,strain distribution,and stress distribution during the extrusion process.Detailed distribution results at differentexternal arc transition angles are provided.The results show that the classical total strain is mainly provided bythe shear strain in the diagonal direction of the extension angle.The calculation formula is only more accuratewhen the external arc transition angle is small,and when the external arc transition angle is large,the non-uniformity of strain and the complexity of the process must be considered.Through optimization,a feasibleequal channel angular pressing process for titanium alloys as difficult to deform materials can be achieved.Keywords：Finite element;Titanium alloy;Equal channel angular pressure;Strain;process96