文章编号：1004-0609(2013)S1-s0718-04

Ti-43Al-9V-Y合金包套热轧热力耦合有限元模拟

孔凡涛，崔  宁，陈玉勇，訾凌君

(哈尔滨工业大学 金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨 150001)

摘  要：采用ABAQUS有限元模拟软件对Ti-43Al-9V-Y合金的轧制过程进行模拟，建立三维热力耦合有限元模型，分析轧制状态下包套和合金的温度场、应力场以及等效应变场。结果表明：包套的存在保证合金在变形过程中获得均匀的温度场。轧制过程中包套和TiAl坯料棱边处的温降较芯部大。包套轧制后TiAl坯料棱边处等效应力值较高。包套的存在承担一部分切应力，使TiAl合金所受切应力较低，能有效降低横向裂纹产生的几率。包套和TiAl坯料的变形抗力匹配性较好，并且均具有两端以及棱边处等效应变量较大的特点。

关键词：TiAl合金；包套；轧制；有限元；模拟

中图分类号：TG337　　     文献标志码：A

Thermo-mechanical coupling finite element simulation for hot rolling process of canned Ti-43Al-9V-Y alloy

KONG Fan-tao, CUI Ning, CHEN Yu-yong, ZI Ling-jun

(National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract: The hot rolling of Ti-43Al-9V-Y alloy was simulated by ABAQUS finite element software. The three-dimensional thermo-mechanical coupling finite element model was constructed. The results show that the temperature field, stress field and equivalent strain field of rolled piece were analyzed under the condition of rolling. The uniformity of temperature field can be improved by cans in the process of deformation. The temperature drop on the edge of rolled piece is higher than that in the centre. Equivalent stress is higher on the edge of rolled piece. The shear stress on the surface of TiAl would be relieved by cans, which would reduce the probability of transverse crack initiation. The deformation resistance of TiAl alloy matches well with that of the cans, and the equivalent strains on both ends and the edge of rolled piece are higher.

Key words: TiAl alloy; canned; rolling; finite element; simulation

γ-TiAl合金作为新一代轻质耐高温结构材料，具有密度低、高温强度高、抗蠕变性能好等优点，被认为是替代航空上较重的镍基合金的理想材料^[1-2]。目前许多零件的制备都需要用到TiAl合金板材，例如排气阀的喷嘴、直升机的防护罩等^[3-4]。因此，实现TiAl合金的轧制对其进一步应用非常重要。经过十几年的发展，γ-TiAl合金的研究在合金化、机械加工等方面都取得了较大进展^[5-7]。但其室温下的本征脆性和较差的高温变形能力始终限制其工业应用^[8]。当前，beta- gamma TiAl合金成为研究热点^[9-10]，其主要利用β相稳定化元素(如Nb、Mo、Mn和V等)，在高温下引入具有较多滑移系的面心立方β相来协调变形^[11]。同时，通过添加晶粒细化元素(如B和Y等)来细化晶粒，从而提高合金的变形能力。前期研究^[12]表明：Ti-43Al-9V-Y合金具有较好的热加工性能，但TiAl合金的热加工窗口较窄，实际的热加工较为困难。

对TiAl合金进行轧制等塑性变形前，需要预先了解其变形特性以改善工艺。ABAQUS有限元分析是工程塑性领域常用的分析方法之一，能有效分析合金变形的温度场和应力场。有限元模拟方法在热加工的应用非常广泛。ZHU等^[13]利用ABAQUS有限元模拟软件对TA15合金热环轧过程中轧制条件和显微组织的关系进行分析。JIANG和TIEU等^[14]利用ABAQUS有限元模拟软件对拉应力作用下板带冷轧过程进行了弹塑性有限元模拟。但目前对TiAl板材轧制过程进行模拟的研究较少。本文作者利用ABAQUS有限元模拟软件，对Ti-43Al-9V-Y合金的包套轧制过程进行热力耦合有限元模拟。分析TiAl合金包套轧制温度场分布以及变形均匀性分布的规律。

1  实验和有限元模型的建立

轧制模拟采用ABAQUS有限元分析软件。在本模拟中，轧制设备选用二辊热轧试验机。轧辊选用刚体，轧辊尺寸选定为d 250 mm×300 mm。坯料采用矩形锻坯，几何尺寸为200 mm×100 mm×10 mm。包套材料选用304不锈钢，包套厚度为5 mm。初始轧制温度为1 200 ℃，轧制速度为0.3 m/s，共进行12道次轧制。第1道次的变形量选为6%；第2-6道次选择的道次变形量为8%；第7~12道次道次变形量为10%。考虑到包套和TiAl坯料之间的结合力不同，摩擦机理不同，需选择不同的摩擦因数。摩擦因数设定为0.2~0.8。Ti-43Al-9V-Y合金和304不锈钢的高温塑性参数均通过高温热物理模拟实验获得。热压缩实验在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行。热压缩温度为1 100 ~1 250 ℃，应变速率为0.01~0.5 s^-1，变形量为60%。在模型中设定三种材料的比热容、热导率和热膨胀系数等参数以及轧辊与轧件接触换热系数、对流换热系数、辐射换热系数、包套与TiAl合金接触换热系数。(其中，Ti-43Al-9V-Y合金的比热容、热导率和热膨胀系数等参数为实测。)通过建立模型、划分网格、装配等过程完成有限元模型的建立。几何装配图和相应坐标如图1所示。

图1  包套轧制几何模型装配图

Fig.1  Assembly drawing showing canned rolling process

2  结果与讨论

2.1  温度场分析

利用5 mm厚的不锈钢对Ti-43Al-9V-Y合金进行包套后，轧件经12道次轧制后的温度场分布图如图2所示。从图2可以发现TiAl坯料整体的温度分布均匀性较好，这主要是由于轧制过程中包套的引入对TiAl坯料具有保温作用。包套和轧辊以及周围环境直接接触，使包套温度降低较快。由于包套棱边处的温降最为剧烈，TiAl坯料棱边处的温降较其他部位也更大。短边棱处最低温度为1 160 ℃左右，最高温度为1 200 ℃左右，长边棱处最低温度为1 130 ℃左右，最高温度为1 170 ℃左右。TiAl坯料心部温降最小，热量损失最少，温度分布最为均匀，温度较初始轧制温度降低仅10 ℃左右。TiAl坯料上下表面温度差较小，头部温度较尾部温度降低仅30 ℃左右。在轧制过程中产生温度降低的主要原因是，金属塑性变形热以及摩擦热较少不足以弥补由于热传导作用引起的温降。而在无包套轧制条件下，TiAl合金的温度降低剧烈。因此，包套对于改善合金整体的温度均匀性十分有效。

图2  温度场分布图

Fig.2  Distributions of temperature

2.2  应力场分析

TiAl合金轧制时的应力场分布强烈依赖轧制工艺条件选择，不同轧制工艺条件下，应力场分布有很大差别。无包套轧制时，应力场分布极不均匀，不同部位应力场差别较大。图3所示为包套轧制后轧件应力场分布图，包套的引入使TiAl坯料受到的应力载荷明显降低，应力场分布均匀性程度增加，不同方向切应力减小^[15]。由于包套材料与TiAl坯料之间具有较好的强度匹配性，同一温度下两者流变应力相近。因此，轧制后两者应力分布和变形程度差异不大。包套轧制后TiAl坯料棱边处等效应力值较高，短边棱应力峰值为52 MPa左右，最小值为45 MPa左右，长边棱应力峰值为55 MPa左右，最小值为35 MPa左右。Ti-43Al-9V-Y合金在坯料宽度方向上表面与心部应力分布较为均匀。

图3  应力场分布图

Fig.3  Distributions of effective stress

包套轧制Ti-43Al-9V-Y合金坯料切应力较低。如果进行无包套轧制，TiAl坯料与轧辊直接接触，摩擦引起的切应力直接作用在TiAl坯料上。而包套轧制后，包套承担一部分切应力，切应力降低可以有效降低横向裂纹产生的几率。包套的存在有利于TiAl合金在约束条件下的变形。包套和TiAl坯料具有较好的变形协调性，包套可以使得TiAl坯料受到的拉应力明显降低。包套轧制时，TiAl坯料的平均等效应力为40 MPa左右。

2.3  等效应变场分析

TiAl合金轧制变形过程中获得均匀的温度场及应变场是获得组织与性能优异板材的前提条件。轧制过程应力状态非常复杂，应变速率较高，TiAl坯料均匀变形的难度较大。无包套轧制时，整个TiAl坯料变形极不均匀，同一方向等效应变量波动性很大，该轧制条件下得到的TiAl板材不同部位组织和性能差异较大，无法实现工业化应用。图4所示为包套轧制后轧件等效应变场分布图，包套的引入使TiAl坯料变形均匀程度增加，同一方向等效应变量值波动性较低。包套与TiAl坯料变形抗力匹配性较好，因此两者变形程度相近。两者总体等效应变量分布规律相似，都出现头部、尾部以及棱边处等效应变量较大，靠近头部和尾部区域等效应变量较小，中间区域等效应变量较相邻区域较大等趋势。棱边处的等效应变量峰值为0.9左右，坯料头部和尾部等效应变量峰值为0.7左右，而与其相邻区域等效应变量的值仅为0.55左右，TiAl坯料中部区域等效应变量为0.65左右。TiAl坯料表面等效应变量稍小于心部等效应变量。

图4  包套轧制等效应变场分布

Fig.4  Distributions of effective strain during rolling

温度对变形均匀性影响主要在于不同温度下，坯料流变应力不同，不同部位金属流动速度不同，从而导致变形程度的不同。当包套和TiAl坯料头部进入轧辊时，整个轧件温度较高，导致金属流动变形抗力较小，应变量较大；随着轧制过程的进行，轧件表面与轧辊接触，热量散失变大，金属流动变形抗力变大，导致轧件应变量变小。当进入稳态轧制阶段时，由于轧件中间区域与轧辊接触面积增大，摩擦力增加，因此由摩擦热以及塑性功热引起的温升以及表面剪切变形综合作用，包套中部区域等效应变量较大，并且TiAl坯料中部区域等效应变量较大。随着轧制过程的进行，轧件尾部温度逐渐降低，摩擦热以及塑性功热引起的温升不足以弥补由于接触热传导引起的温降，因此轧件应变量降低。

3  结论

1) 包套的存在能保证TiAl坯料在轧制过程中的具有较好的温度均匀性。轧制过程中包套和Ti-43Al-9V-Y合金棱边处的温降比芯部大。

2) 包套的引入增加TiAl坯料的应力场分布均匀性，减小不同方向切应力。切应力降低可以有效降低横向裂纹产生的几率。包套轧制后TiAl坯料棱边处等效应力值较高。

3) 包套与TiAl坯料变形抗力匹配性较好，两者变形程度相近。包套的引入保证TiAl坯料变形均匀性。包套和TiAl坯料均具有两端和棱边处等效应变量较大的特征。

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(编辑 王 超)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074058); 国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB605502)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：孔凡涛，副教授，博士；电话：0451-86418802；E-mail：kft@hit.edu.cn