2020, Vol. 41
TA15钛合金具有较高的抗蠕变性和高温稳定性能，适用于500 ℃以下，主要用于制造飞机发动机扇叶、机匣及压缩盘[1]。随着航空航天系统对钛合金厚板需求量的增大，迫切需要对厚板轧制工艺进行研究，以确保能持续提供高品质的厚板。然而，厚板轧制过程中常常存在轧不透、材料沿厚度方向变形量和温度分布梯度大、变形不均匀等问题[2]。为了避免出现上述问题，需要对钛合金厚板热轧变形规律进行研究。本文采用热力模拟和数字模拟相结合的技术，对TA15钛合金的热变形行为及厚板轧制工艺进行研究，为厚板生产工艺改进和产品质量提升提供理论指导。
1 试验方案本文试验用原材料来自宝钛集团有限公司生产的TA15厚板板坯，板坯头部切取热力模拟试样（尺寸：10 mm×15 mm×20 mm，数量 50 个），在Gleeble-3800 热力模拟试验机上进行平面应变压缩试验（变形温度：850，900，950，1 050和1 150 ℃；应变速率：0.01，0.10，1.00和10.00 s−1；总变形量：60%）。试样以10 ℃·s−1的速率加热到变形温度，保温300 s后进行等温压缩，变形后立即水淬，以保持高温变形时的组织状态，最终获得TA15钛合金的流变曲线；将TA15钛合金流变曲线数据导入厚板轧制工艺有限元模型中，进行不同工艺参数（压下量、轧制速度和轧制温度）下应力、应变场的模拟计算，分析模拟结果并获得TA15钛合金厚板热轧变形规律。
2 分析与讨论 2.1 高温恒应变速率下TA15钛合金变形行为图1是试样在不同变形温度下的流变曲线。
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图 1 不同变形温度下的流变曲线 Fig. 1 Flow stress curves at different deformation temperatures |
从图1可以看出，随着温度的升高，流变应力急速下降并趋于平缓。说明该温度范围内发生了动态再结晶。随温度的升高，更多的 α 相转变为β相。由于β相为体心立方结构，滑移系多，层错能高，因此流变应力下降。在高于950 ℃时，温度对流变应力的影响减弱，并且流变应力随着应变增加变化不大。温度在950～1 000 ℃内，流变应力曲线随应变速率下降而更平坦。另外，变形温度相同的情况下，应变速率越高，流变应力越大。这是由于应变速率的升高，位错发生攀移引起软化速率降低，同时由于应变速率的升高，变形量在单位时间内增加的越大，运动的位错数目增多，这些过程与时间有关[3-6]。此外，动态回复随应变速率的降低进行得越充分，因此也使得峰值应力降低。在同一变形温度下，进入稳态是由于应变随应变速率的降低而减小。应变速率相同的情况下，变形温度越高，流变应力越低。由于温度越高，软化作用越明显，抵消了加工硬化。随着温度的降低，进入稳态变形时对应的真应变值增大。应变速率越低，流变应力峰值越明显，此种类型曲线显示出明显的动态再结晶特征[7~9]。应变速率越高，流变应力先快速上升，但上升逐渐减慢，峰值流变应力几乎等于稳态流动时的应力，峰值应力不明显。说明材料没有发生明显的动态再结晶，以发生动态回复为主。
2.2 高温恒应变速率下TA15钛合金变形显微组织分析图2是1 000 ℃时试样在不同应变速率下的组织。由图2所示，应变速率为 0.01 s−1时晶粒发生回复和再结晶，晶粒尺寸减小；随着应变速率增加，晶粒再结晶不充分的程度增加；应变速率为1.00和10.00 s−1时，晶粒主要是变形态组织。图3是950 ℃时试样在不同应变速率下的组织。由图3可知，应变速率为0.01 s−1时晶粒发生回复和再结晶，晶粒尺寸细小，随着应变速率增加，晶粒主要是变形态组织，变形主要集中在中间。
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图 2 1 000 ℃时应变速率为0.01，0.10，1.00和10.00 s−1下的组织 Fig. 2 Microstructures at 1 000 ℃ under the strain rate of 0.01, 0.10, 1.00 and 10.00 s−1 |
道次压下量的大小反映工件的变形程度。图4和图5是在不同压下量下板坯等效应变云图和不同压下量下板坯等效应力云图。由图4和图5可见，增大压下量，应变值也随之增加，平均增加0.04，心部至表面的应变值差异程度也随压下量的增加而减小，说明增大压下量即变形程度增加，使更多的晶粒参与变形，变形渗透至心部，减小了变形的不均匀性。同时随着压下量的增加，变形程度增大，心部和表面的等效应力也随之增大。压下量为20 mm时，等效应力从表面至心部变化不大，说明变形比较均匀。
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图 3 950 ℃时应变速率为0.01，0.10，1.00和10.00 s−1下的组织 Fig. 3 Microstructures at 950 ℃ under the strain rate of 0.01, 0.10, 1.00 and 10.00 s−1 |
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图 4 不同压下量下板坯等效应变云图 Fig. 4 Effective plastic strain distributions of the plate under different reductions |
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图 5 不同压下量下板坯等效应力云图 Fig. 5 Effective stress distributions of the plate under different reductions |
在热轧过程中，板坯在产生变形的同时往往伴随着温度的改变，准确分析这些加工过程中的金属变形问题时，必须考虑温度场对变形的影响。因为除了温度变化对板坯变形和材料性质产生影响外，板坯变形也会反过来影响温度的变化[10]。不同轧制温度下板坯等效应变云图和等效应力云图如图6和图7所示。由图6和图7可看出：随着轧制温度的升高，等效应变的差值逐渐减小，表明工件内部的等效应变的不均匀性在减小，当轧制温度由Tβ-50 ℃上升到Tβ-10 ℃时，等效应变的差值从0.187降至0.154。随轧制温度的升高，变形后的等效应力逐渐变小，最大等效应力由162 MPa降至78 MPa，表面和心部的等效应力差值也随之减小：当轧制温度为Tβ-50 ℃时，二者差值为87 MPa；当轧制温度为T
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图 6 不同轧制温度下板坯等效应变云图 Fig. 6 Effective plastic strain distributions of the plate under different temperatures |
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图 7 不同轧制温度下板坯等效应力云图 Fig. 7 Effective stress distributions of the plate under different temperatures |
轧制速度是影响变形速度的重要因素，也是轧制过程中控制的重要参量，影响着板坯的应力、应变场等。不同轧制速度下板坯等效应变云图和等效应力云图如图8和图9所示。由图8和图9可看出：从板坯表面至心部的变形是逐渐减小的；表面的应变值最大，说明表面变形程度相比边部、心部等其他部位都更大；但不同轧制速度下表面至心部的应变变化趋势仍是逐渐减小的。轧制速度越快，表面至心部的应变差值越大，这是因为某些位向有利的晶粒优先发生变形，等到变形累积到一定程度才会驱动其他部位的晶粒发生变形，而轧制速度越快，板坯内部先发生变形的晶粒来不及将变形传递，因此造成了变形的不均匀性；变形速度越快，不均匀性越大。板坯应力集中在轧辊正下方且呈中心对称的三角区域状分布，轧制速度分别为50，71，95 r·min−1时，最大应力值分别为273，288，325 MPa，均发生在板坯表面，心部应力值最小，应力值相近，约为70 MPa。
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图 8 不同轧制速度下板坯等效应变云图 Fig. 8 Effective plastic strain distributions of the plate under different values of rolling velocity |
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图 9 不同轧制速度下板坯等效应力云图 Fig. 9 Effective stress distributions of the plate under different values of rolling velocity |
为了研究实际生产工艺下厚板板坯的温度场、应力场和应变场在不同轧制阶段的变化情况，以纵向截面上的特征点为研究对象（在厚板轧制方向上，以板坯1/2宽度取纵截面，从轧辊咬入坯料端为头部、以300 mm为距离间隔，选取6个特征点），追踪各特征点场量的历史变化。
图10至图13依次是板坯纵截面温度、等效应力、等效应变和等效应变速率变化曲线。由图10至图13可见：头部和尾部温度较低，尾部温度要更低些，其余各处温度均在960 ℃左右，轧制时各处均有温升现象；随着板坯被咬入轧辊，轧辊接触板坯头部开始变形，此时应变比稳定轧制阶段的应变大，但当轧制尾部时等效应变为最大；同时板坯不同部位所受的等效应力排序为：头部>1/4处>尾部>3/4处>1/3处>1/2处，板坯各处轧制过后应力逐渐下降，但仍留有一定的内应力，头部的应力（残余应力）偏大些；头部和尾部等效应变速率最大，板坯长度1/3处的应变速率次之，板坯长度1/2处的应变速率最小。
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图 10 板坯纵截面温度曲线 Fig. 10 The temperature curves of the plate on the longitudinal cross-section |
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图 11 板坯纵截面等效应力曲线 Fig. 11 The equivalent stress curves of the plate on the longitudinal cross-section |
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图 12 板坯纵截面等效应变曲线 Fig. 12 The equivalent strain curves of the plate on the longitudinal cross-section |
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图 13 板坯纵截面等效应变速率曲线 Fig. 13 The equivalent strain rate curves of the plate on the longitudinal cross-section |
（1）利用Gleeble-3800热力模拟试验机对TA15钛合金进行高温压缩变形行为研究，获得真实流变曲线，分析了变形温度和应变速率对TA15钛合金流变应力的影响趋势和变形机制，为TA15钛合金厚板板坯进行热轧工艺数值模拟提供了真实数据和验证依据。
（2）得出不同工艺参数（压下量、轧制温度、轧制速度）对TA15钛合金板坯应力、应变场的影响规律：随着压下量增加，等效应力、等效应变亦随之增大；压下量为20 mm时，等效应力从表面至心部变化不大，说明变形比较均匀；随着轧制温度升高，板坯表面和心部的等效应力和等效应变差异逐渐减小，改善了变形的不均匀性；当轧制温度为Tβ-10 ℃，表面和心部的等效应力差值最小；随着轧制速度增加，板坯表面的等效应力、等效应变亦随之增大且大于板坯心部的等效应力和等效应变，导致板坯变形的不均匀性加剧；轧制速度选取50～71 r·min−1范围内较好，板坯应力值较小。
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