Ti-811合金棒材热连轧过程有限元数值模拟及验证.pdf
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1、第40 卷第 4 期Vol.40No.42023 年8 月August2023Ti-811 合金棒材热连轧过程有限元数值模拟及验证王田1,南迎飞2,王伟3,岳旭1,乔恩利1,叶红川1(1.新疆湘润新材料科技有限公司,新疆哈密839100)(2.中航富士达科技股份有限公司,陕西西安710065)(3.西安建筑科技大学,陕西西安710055)摘要:采用有限元法对 Ti-811 合金棒材热连轧过程进行数值模拟,分析变形过程中轧件应力场、应变场和温度场的数值以及分布规律,并基于数值模拟结果进行轧制验证,为制定 Ti-811 合金棒材轧制工艺提供指导。结果表明:模拟连续轧制过程中轧件的最大应力位于与轧辊
2、接触的表面,且由边部到心部逐渐降低;随着轧制道次的增加,应力值逐渐下降、应变量逐渐增大;轧件在各道次的变形过程中表层和心部存在差异,心部变形量大于边部变形量;轧件与轧辊接触的表面层有明显温降,当轧件脱离轧辊后表面层温度逐渐回升,轧制结束后表面层温度回升至初始温度,但心部因变形热积聚温度略有升高,最大温升值达到 14。基于数值模拟结果在热连轧机组上进行轧制验证,所轧制的 Ti-811 合金棒材外形尺寸良好,且组织与力学性能满足 GJB 95672018叶片用 TA11 和 TC6 钛合金棒材规范要求。关键词:Ti-811 合金;热连轧;有限元模拟中图分类号:TG337.6;TG146.23文献标
3、识码:A文章编号:1009-9964(2023)04-026-09Finite Element Numerical Simulation and Verification of Hot ContinuousRolling Process of Ti-811 Alloy BarWang Tian1,Nan Yingfei2,Wang Wei3,Yue Xu1,Qiao Enli1,Ye Hongchuan1(1.Xinjiang Xiangrun New Material Technology Co.,Ltd.,Hami 839100,China)(2.AVIC Forstar S&T Co.,
4、Ltd.,Xian 710065,China)(3.Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China)Abstract:The finite element method was used to analysis the numerical value and distribution rules of hot continuousrolling process of Ti-811 alloy bar,which include stress field,strain field and temperature f
5、ield.The results show that themaximum stress of rolling bar during rolling process is located at the surface which contact with the rolls,the stressdistribution gradually decreases from the edge to the center;with the increase of rolling,the stress value graduallydecreases,and the strain variable in
6、creases;there is difference between the surface and heart of the rolling bar in thedeformation process of each pass,and the deformation amount at the center is greater than the edge;the temperature of thesurface layer which contact with rolls has obvious cooling,when the rolling bar removed from the
7、 roll,the surface layertemperature rises gradually,and when the rolling is over,the surface layer temperature rises to the initial temperature,butthe center temperature of rolling bar rises slightly duo to the accumulation deformation heat,the maximum temperatureappreciation reaches 14.Based on the
8、numerical simulation results,rolling test was conducted on the hot continuousrolling mill.The rolled bars have good overall dimension,the microstructure and mechanical properties meet therequirements of GJB 95672018“Specification for TA11 and TC6 titanium alloy bars for blade and vane”.Keywords:Ti-8
9、11 alloy;hot continuous rolling;finite element simulation收稿日期:2023-06-28基金项目:新疆科技厅重点研发专项资助项目(2022B01029)通信作者:王田(1983),男,高级工程师。Ti-811(名义成分为 Ti-8Al-1Mo-1V)合金是美国于 20 世纪 80 年代研制的一种近型耐热钛合金,其特第4期王田等:Ti-811合金棒材热连轧过程有限元数值模拟及验证27点是密度低、弹性模量高,在 400450 的蠕变、持久性能优越,并具有较高的震动阻尼性能,已作为航空发动机压气机叶片(使用温度 400450)应用于多种型号的发
10、动机上1-2。20 世纪 90 年代,我国针对 Ti-811 合金开展了大量研究工作,在此基础上开发了 TA11 钛合金,并对其合金化学成分、显微组织、锻造加工工艺、热处理工艺等进行了研究,实现了工业化生产3-7。然而,目前关于 Ti-811 合金棒材的研究工作大都基于锻造棒材开展的8-11,对其轧制棒材的相关研究鲜有报道,特别是缺乏关于该合金连续轧制生产可行性和轧制孔型匹配性、连续轧制过程中的变形行为、变形特点和轧制参数对合金组织性能的影响等研究,致使在制定轧制工艺参数时尚无可参考依据。有限元数值模拟技术能够定量、直观、全面地了解金属热加工成形过程12-15,从而获得热变形过程的成形规律,为
11、热加工工艺的制订和优化提供理论依据。为此,本研究使用 Deform-3D 数值模拟软件对 Ti-811 合金棒材热连轧过程进行仿真,获得连续轧制变形过程中轧件应力场、应变场和温度场的数据,分析各道次轧制过程中应力、应变和温度的分布规律,并基于数值模拟结果在热连轧机组上进行轧制试验,以验证采用热连轧生产方式轧制 Ti-811 合金棒材的可行性和轧制参数的合理性,为制定 Ti-811 合金棒材轧制工艺提供指导。1有限元模拟1.1建立几何模型和材料模型采用 Deform-3D 软件对 Ti-811 合金从75 mm 棒坯轧制为45 mm 棒材的 4 道次热连轧过程进行数值模拟。由于轧制孔型为椭圆圆孔
12、型系统,其上辊与下辊几何形状相同且左右对称,初始坯料也为对称结构,因此可选取四分之一进行建模。采用 Pro/E 三维制图软件对轧辊进行建模,如图 1 所示。不同轧制道次孔型结构如图 2 所示。图 1轧辊模型Fig.1Model of roll图 2不同轧制道次的孔型结构示意图Fig.2Schematic diagrams of pass structure for different rolling passes:(a)the first pass;(b)the second pass;(c)the third pass;(d)the fourth pass在 Deform-3D软件材料库中选
13、取相应的 Ti-811合金材料作为轧件材质,其化学成分、物理性能、力学性能等基本数据如表 1、表 2、表 3 所示1。1.2初始条件设定2840 卷钛 工 业 进 展Titanium Industry Progress1.2.1网格划分采用绝对网格划分方法对轧件进行网格划分。取表 1Ti-811 合金化学成分(w/%)Table 1Chemical composition of Ti-811 alloyMain chemical componentsImpurity contentTiAlMoVFeCNHOYBal.7.38.30.71.20.71.20.300.080.050.0150.12
14、0.005表 2Ti-811 合金物理性能Table 2Physical properties of Ti-811 alloyDensity/gm-3Phase transitiontemperature/Melting point/Coefficient of linearexpansion/10-6-1Heat conductivity/Wm-1K-14.3510251045157016508.535.44表 3Ti-811 合金棒材室温力学性能Table 3Room temperature mechanical properties of Ti-811 alloy barElastic
15、modulus/GPaTensile strength/MPaYield strength/MPaElongation/%Reduction of area/%1189308802042最小单元尺寸 2.5 mm,比率为 4,定义轧辊为刚性体、轧件为塑性体、推块为刚性体进行模拟分析计算,划分后的轧件网格如图 3 所示。图 3轧件网格模型Fig.3Network model of rolled piece1.2.2边界参数设定根据轧件材料属性和轧机孔型特征,设置模拟轧制的边界条件参数如表 4 所示。1.2.3摩擦条件设定Ti-811 合金棒材模拟轧制温度为 960,在此温度轧制时,轧件与轧辊间的
16、压力较大,易于发生粘合,因此模拟中对于接触摩擦问题采用剪切摩擦模型:f=mA(1)式中:f 为摩擦力,N;m 为摩擦因子,取值范围 01;A为轧件与轧辊接触面积,mm2;为剪切摩擦应力,MPa。表 4模拟轧制边界参数Table 4Boundary parameters of simulation rollingBoundary parameterValueRolling temperature/960Ambient temperature/20Temperature of roll/20Roll speed/ms-1V1=0.17,V2=0.22V3=0.26,V4=0.31Rolling d
17、isplacement/mm200Thermal conductivity coefficientbetween rolled piece androll/W(m2)-115.28Heat exchange coefficient betweenrolled piece and air/W(m2)-10.02Emissivity of rolled piece0.92模拟结果与分析2.1轧制过程应力分析Ti-811 合金棒材轧制过程中,不同轧制道次下轧件的应力分布如图 4 所示。从图 4 可以看出,75 mmTi-811 合金圆形棒坯经过第一道次椭圆孔型轧制后,轧第4期王田等:Ti-811合金
18、棒材热连轧过程有限元数值模拟及验证29件最大应力位于与轧辊接触部位,为 326 MPa;应力分布由边部到心部逐渐降低,轧件前端离开轧制变形区图 4不同轧制道次下轧件的应力分布云图Fig.4Stress distribution nephograms of rolled piece at different passes:(a)the first pass;(b)the second pass;(c)the third pass;(d)the fourth pass后,应力得到释放。椭圆轧件经过第二道次圆孔型轧制后,得到53 mm 的圆棒,应力最高点仍处于与轧辊接触部位,为 320 MPa,其他
19、部位应力值低于 200 MPa。在第三道次圆轧椭和第四道次椭轧圆过程中,轧件应力分布规律与第一道次和第二道次类似,最大应力集中在与轧辊接触部位,分别为 315、300 MPa。轧制完毕后,轧件应力得到释放。从分析结果可知,轧件第一道次应力值最高,随着轧制道次的进行,应力值逐渐下降。每一道次轧制过程中,轧件最大应力均集中在与轧辊接触部位,应力分布由边部到心部逐渐降低,当轧件前端离开轧制变形区 后,应力得到释放。2.2轧制过程应变分析Ti-811 合金棒材轧制过程中,不同轧制道次下轧件的应变分布如图 5 所示。从图 5 可以看出,75 mmTi-811 合金圆形棒坯经过第一道次椭圆孔型轧制后,轧件
20、心部和边部均发生变形,其应变量处于 0.40.7 之间,表明该道次椭圆孔型可以使轧件的变形较为均匀。椭圆轧件经过第二道次圆孔型轧制后,轧件心部应变量大于边部,约为 1.11.3,边部应变量达到了 0.70.9。经过第三道次椭圆孔型轧制后,轧件长度明显增加,表面应变量达到 1.6,中心部位应变量达到 2.0 左右。经过第四道次圆孔型轧制后,轧件整体应变量增大,表面应变量达到 1.9,中心部位应变量达到 3.0 左右。从上述分析结果可知,第一道次轧制时轧件的应变值最低,随着轧制道次的进行,应变值逐渐升高。各道次轧制过程中,轧件边部的应变量均小于心部,说明Ti-811 合金棒材在椭圆圆孔型连续轧制变
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