稀有金属 2004,(01),271-273 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.067
钛合金旋压性能的试验研究
汪发春 赵云豪 沈健
北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心 北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088
摘 要：
钛合金具有比强度高的特点 , 可替代铝合金和合金钢。钛合金的变形抗力和屈强比较大 , 其壳体室温变薄旋压成形有一定困难。为了探讨钛合金旋压的可行性 , 在热模拟压缩试验的基础上 , 分析钛合金加热变形过程 , 为钛合金加热变薄旋压工提供了参考。试验结果显示钛合金合理的旋压温度为 65 0～ 75 0℃ , 因其不是应变速率敏感材料 , 可根据各道工序的需要改变转速和进给速度
关键词：
钛合金 ;旋压 ;峰值应力 ;
中图分类号： TG376
收稿日期： 2003-11-09
Study on Spinning Properties of Titanium Alloy
Abstract：
Titanium alloy exhibits the property of high strength to rigidity. It provides potentiality to replace aluminum alloy and alloy steel. Generally, it is difficult to spin titanium alloy at room temperature, because of its high deformation resistance and yield to tensile ratio. In this paper the feasibility of tube spinning titanium alloy was analyzed based on the experimental results of hot compressive deformation test. The results show that the proper spinning temperature of this alloy is about 650～750 ℃. The feed rate and rotating speed should be determined by each technical step since it is not strain rate sensitive material.
Keyword：
titanium alloy; spinning; maximum true stress;
Received： 2003-11-09
亚稳β型钛合金Ti-5523比强度高, 而且具有更高的断裂韧性和良好的延性, 该合金广泛应用于航空航天领域
[1 ,2 ,3 ]
。 同时钛合金良好的综合性能使其替代高强钢应用于压力容器。 本文采用热模拟试验, 研究钛合金高温变形特性, 为高强钛合金旋压成形提供了依据。
1 材料和方法
试验材料是亚稳态β型钛合金Ti-5523, 相变点为 (815±5) ℃。 试验采用热轧板材 (t =10 mm) , 轧制温度约为800 ℃, 轧板经加热730~750 ℃保温1 h后, 水淬固溶处理。 压缩试样为Φ 8 mm×12 mm的圆柱。 为减小压缩时压头与试样上、 下端面之间的摩擦, 试样的两端放入石墨纸作为润滑剂。
热模拟的变形速率需根据旋压工艺的变形速率来确定, 旋压有效应变速率计算公式
[3 ]
:
ε
˙
e
=
2
3
ν
0
sin
α
ρ
t
0
(
1
-
φ
t
)
2
1
-
3
4
(
t
θ
f
t
f
)
2
sin
2
α
ρ
式中: ν 0 为进给速度; α ρ t 0 , t θf t f θ 层, 旋压后的工件壁厚 (α ρ θ >0) ; φ t
由该公式所得到应变速率范围在10-2 ~10 s-1 之间, 根据旋压工艺参数, 选择ν 0 最大为150 mm·min-1 , α ρ
ε
˙
e
=
2
3
ν
0
sin
α
ρ
t
0
(
1
-
φ
t
)
2
, 分别代入t 0 =12.0, 8.4, 6.0, 4.0, 2.5和相应的φ t -1 , 得出旋压时最大的变形速率在1 s-1 左右, 所以热模拟的变形速率可以选择1×10-3 , 1×10-2 , 10-1 , 1, 5 s-1 5个应变速率。 钛合金热加工温度取值, 选择500, 600, 700, 800, 900 ℃ 5个温度。 试验在热模拟机上进行, 试验过程由计算机控制, 保证应变速率恒定。 设定高度方向的压缩变形量为55%。 试样采用感应加热, 达到预定温度后保温5 min, 停止加热并立即进行热压缩。
2 结果与讨论
2.1 变形抗力的分析
试验得到了多条真应力-真应变曲线, 每条曲线上有一个最大的峰值应力σ m σ m σ m
按轧制变形的计算方法, 采用下面公式计算出旋压径向压缩变形分力
[3 ]
, 验证设备是否满足旋压变形所需力能要求。
F
R
2
3
σ
m
t
0
D
ρ
f
c
t
g
α
ρ
=
Κ
;
正旋时,
Κ
=
(
1
-
Ψ
t
)
ln
1
1
-
Ψ
t
;
反旋时,
Κ
=
ln
1
1
-
Ψ
t
。
σm 为材料的最大变形抗力, t0 坯料壁厚, Dρ 旋轮直径, f进给率, αρ 旋轮角, Ψt 为减薄率。
取σm =912 MPa , Dρ =310 mm , f=1.5 mm ·r -1 (流动旋压常用的是0.5~1.5 mm ·r -1
[3 ]
) , αρ =25°, t0 和Ψt 按上面的4个变形道次取值, 根据正旋计算公式, 分别得到FR t 4个数据。
根据计算结果, 得出径向旋压分力FR T , 小于旋压机20 T 的最大径向推力。 结果表明, 旋压机的径向旋压分力能够满足钛合金热旋的需要。
2.2 变形温度的分析
从图1中可以看出, 随着变形温度的增加, 变形抗力减小, 但是在不同的温度区间减小的程度不同, 在500~600 ℃之间, 变形抗力减小的程度比较大, 其中在1×10-3 s -1 减幅达到了536 MPa , 在800~900 ℃之间减幅比较小, 最小值为17 MPa , 从图1可以看出σm 与温度的关系, 在从500~600 ℃之间下降很快, 600~700 ℃次之, 再往后就下降的程度就更小。 从钛合金组织和性能考虑, 在热旋选择温度参数的时候, 温度要合适, 温度偏低, 金属的变形抗力大, 塑性差, 在旋压的时候容易产生裂纹; 温度过高又容易使变形后的金属晶粒长大, 氧化污染加剧, 降低旋压后的综合性能。 从图1可以看出, 在650~750 ℃之间, 变形抗力相对比较小, 属较为合理的旋压温度。
2.3 变形速率的分析
从图2可以看出, 在同
图1 σm与变形温度的关系 Fig.1 Relationship between σmand deformation temperature
图2 σm与log ε˙的关系 Fig.2 Relationship between σmand log ε˙
一温度下, 随着变形速率的增加, 变形抗力增大。 在500 ℃时, 变形速率的从0.1~1 s -1 和1~5 s -1 时的变形抗力增加很小。 增加变形速度会使金属的临界剪应力高。 这一方面是由于要驱使数目更多的位错同时运动; 另一方面是由于要求位错运动的速度增大。 位错运动的速度越大, 作用的剪应力就应该越大。 变形抗力自然就要增大。 同时, 增加变形速率, 温度效应显著, 金属的温度将升高, 从而增加塑性
[4 ]
。 在500 ℃相对其他变形温度比较低, 温度效应就比较显著, 而其他温度受温度效应的影响比较小, 而且, 在500 ℃小于0.1 s -1 温度效应不明显, 而大于该变形速率则出现比较明显的温度效应, 导致变形抗力增加很小。 在其他温度下, 随着变形速率的增大, 变形抗力虽然增加, 但是增加的幅度很小, 可以认为, 该合金不是应变速率敏感材料, 在旋压的时候, 变形速率有较宽的选择范围。 可以结合扩径和缩径以及表面质量的要求在不同道次调整转速和进给率, 即调整变形速率。
3 结 论
1.根据热压缩得到的σ m 值, 计算出径向旋压分力, 并与旋压机径向旋压力比较, 旋压设备能力满足钛合金旋成形要求。
2.根据热压缩各温度和各变形速率下的σ m 值的比较, 得出650~750 ℃之间是该合金的合理旋压温度; 该合金不是应变速率敏感材料, 可以根据各道工序的需要改变转速和进给速度。
参考文献
[1] 陈海珊, 张 翥, 郝瑞新, 等. 高强高韧性钛合金[P].中国, 发明专利, 87105768.9, 1987.8.24.
[2] 张 翥. β钛合金的概述[J].稀有金属, 1995, 19 (7) :298.
[3] 陈适先, 贾文铎, 曹庚顺, 等. 强力旋压工艺与设备[M].北京:国防工业出版社, 1986.68.
[4] 汪大年. 金属塑性成形原理[M].北京:机械工业出版社, 1985.34.
