鈦合金的優(yōu)異性能在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

鈦合金通常需要在β單相區(qū)或α β兩相區(qū)進(jìn)行熱加工來獲得具有一定組織和性能的產(chǎn)品。而熱加工參數(shù)的選擇對(duì)鈦合金的加工性能與顯微組織都產(chǎn)生重要的影響。近年來，國(guó)內(nèi)在鈦合金熱加工領(lǐng)域的研究日漸增多，其中熱模擬技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)在鈦合金熱變形機(jī)制和組織演變規(guī)律方面的應(yīng)用尤為突出。鈦合金顯微組織的多樣性與鈦合金多工序的生產(chǎn)過程以及各工序過程的多樣性有著規(guī)律性的聯(lián)系。這種復(fù)雜聯(lián)系決定了傳統(tǒng)方法很難對(duì)鈦合金組織與性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。隨著近年計(jì)算機(jī)與數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，微觀組織數(shù)值模擬方法成為獲得主要工藝參數(shù)對(duì)熱成形工件宏觀和微觀組織影響的定量關(guān)系的有力工具。采用數(shù)值模擬技術(shù)再現(xiàn)微觀組織的演化過程，不僅可以加深理解組織變化機(jī)理，促進(jìn)現(xiàn)有理論的發(fā)展，而且可以改善材料組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)化材料的制備工藝，從而獲得材料預(yù)期的力學(xué)能。未來鈦合金熱變形機(jī)制及微觀組織演變規(guī)律的研究須將物理模擬技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)有機(jī)結(jié)合，建立更加符合實(shí)際生產(chǎn)過程的宏觀有限元模型，并將其與微觀組織演變模型耦合，力求模擬結(jié)果不僅能為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，而且能夠定量地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工藝，最終達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤變形過程、控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

鈦合金因其低密度、高比強(qiáng)和抗蠕變性等優(yōu)異性能，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鈦合金具有延展性低、變形抗力大和各向異性明顯等特點(diǎn)，因此鈦合金對(duì)熱變形工藝參數(shù)十分敏感。眾多學(xué)者利用熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同類型的鈦合金進(jìn)行了熱壓縮變形實(shí)驗(yàn)，獲得了材料的流動(dòng)應(yīng)力曲線即應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。流動(dòng)應(yīng)力曲線反映了流動(dòng)應(yīng)力與變形工藝參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，同時(shí)，也是材料內(nèi)部組織變化的宏觀表現(xiàn)。徐文臣等在熱模擬機(jī)上進(jìn)行了恒應(yīng)變速率壓縮變形試驗(yàn)，研究TA15鈦合金的動(dòng)態(tài)熱變形行為，計(jì)算了材料的變形激活能Q并觀察了熱變形組織。在α相區(qū)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是材料的主要軟化機(jī)制，而在β相區(qū)軟化機(jī)制則以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主。

與傳統(tǒng)工藝試錯(cuò)法相比，采取模擬技術(shù)作為研發(fā)手段可縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率和增長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)效益的目的。而鈦合金因價(jià)格昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，其生產(chǎn)工藝的研究迫切需要模擬技術(shù)來為之開辟捷徑，攻克熱加工溫度范圍窄、工藝—組織—性能關(guān)系復(fù)雜多樣等難題。由于數(shù)值模擬技術(shù)使得鈦合金熱加工工藝過程可以真實(shí)地在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)，所以企業(yè)生產(chǎn)者和科研工作者都利用此技術(shù)研究理想工藝參數(shù)與相應(yīng)組織、力學(xué)性能的關(guān)系，達(dá)到優(yōu)化現(xiàn)行生產(chǎn)工藝和降低新產(chǎn)品、新工藝、新材料研制成本的目的。www.nmware.com等研究了片狀組織TC21鈦合金在兩相區(qū)鍛造過程中的α相演變。采用DEFORM軟件模擬分析了鍛造過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的變化規(guī)律并定量分析了α相的形貌變化，F(xiàn)eret Ratio越小，形貌趨于球化。結(jié)果表明，應(yīng)變場(chǎng)與溫度場(chǎng)影響片狀相演變，在較低的應(yīng)變條件下，鍛料邊部由于溫度降低較快，再結(jié)晶充分，鍛料中心位置溫度較高。

國(guó)內(nèi)外已采用熱模擬技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)鈦合金熱變形機(jī)制與微觀組織演變開展了大量的研究工作，獲得了力能參數(shù)與工藝參數(shù)、微觀組織關(guān)系等結(jié)果，可起到優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用和效果。但是由于材料性能數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、邊界條件和摩擦參數(shù)難貼近實(shí)際、宏觀變量研究未涉及微觀組織變化等因素，因此模擬結(jié)果跟實(shí)際生產(chǎn)相比存在一定的誤差。