Tc6钛合金锻件微观组织参数的预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锻件微观组织参数的预测方法，特别是涉及一种TC6钛合金锻件 微观组织参数的预测方法。
【背景技术】
[0002] 在钛合金锻造变形技术领域，在确保锻件形状和尺寸精度的同时，更加注重锻件 的力学性能。锻件力学性能直接由锻件的微观组织决定。因此，在不改变材料成分的前提 下，通过优化工艺参数合理有效地控制锻造工艺，可以获得满足设计要求的微观组织与力 学性能。特别是，钛合金代表的难变形金属材料一般用于制造关键锻件，需要通过获得好的 微观组织保证其锻件的力学性能。
[0003] 文献1"锻造成形微观组织优化建模及应用[J]，王广春，管婧，赵国群，塑性工程学 报，2005,5:49 - 53"公开了一种以晶粒分布均匀性和细小化为目标，采用钢的微观组织模 型，结合有限元数值模拟方法，对45钢圆柱体镦粗过程进行了优化。该方法采用传统的Yada 模型，但是Yada模型仅适合于普通碳素钢锻件奥氏体晶粒尺寸的计算。
[0004] 文献2"专利申请号是CN200810234559的中国发明专利"公开了一种含氮奥氏体钢 微观组织预测方法。该方法由输入模块、计算模块和输出模块组成，其中计算模块包括高温 S相体积分数计算模块、氮化物Cr2N在中温阶段等温处理时的晶界开始析出时间计算模块 和低温ε和α马氏体的开始转变温度计算模块。因此，文献2提出的微观组织预测方法仅适合 于含氮奥氏体钢在热处理条件下的微观组织参数计算，也不能预测含氮奥氏体钢在锻造变 形条件下的微观组织参数。
[0005] 钛合金与钢、铝合金、铜合金、镁合金等材料有截然不同的微观组织，并且钛合金 的微观组织对锻造变形工艺参数特别敏感，对锻造工艺参数设计与优化的影响特别显著。 同时，预测钛合金锻造变形时微观组织参数的难度特别大。因此，预测钛合金锻件锻造变形 时的微观组织参数是一项国际性难题。对α+β型钛合金进行锻造变形时，初生α相的晶粒尺 寸和体积分数是决定其锻件力学性能的基本因素。因此，确定钛合金初生α相晶粒尺寸和体 积分数是其锻造工艺优化设计的基本前提。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有锻件微观组织参数的预测方法实用性差的不足，本发明提供一种 TC6钛合金锻件微观组织参数的预测方法。该方法首先确定TC6钛合金的锻造变形温度、应 变速率和应变的9个隶属函数和27条模糊规则，再建立TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积 分数的数学模型;采用TC6钛合金高温压缩变形实验数据，优选出模糊规则权系数和权值， 然后代入TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学模型，得到TC6钛合金锻件初生α相 晶粒尺寸和体积分数的预测模型。本发明预测的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和体积分 数的测试样本结果与实验结果之间的最大误差小于5%，表明本发明所提供的TC6钛合金锻 件初生α相晶粒尺寸和体积分数的预测方法具有较高的准确性和可靠性，可为实际生产优 选出合适的锻造变形工艺，节省大量的人力和物力。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种TC6钛合金锻件微观组织参数 的预测方法，其特点是包括以下步骤：
[0008] 步骤一、采用机械加工方法将TC6钛合金棒材加工成热模拟压缩试样，在热模拟试 验机上进行高温压缩变形实验，在压缩变形实验前保温，压缩变形时采用高温润滑剂保护， 以防止TC6钛合金氧化；
[0009] 步骤二、对步骤一得到的TC6钛合金热模拟压缩变形试样进行定量金相分析，得到 TC6钛合金初生α相在不同锻造变形条件下的晶粒尺寸和体积分数；
[0010] 步骤三、对TC6钛合金的锻造变形温度Τ、应变速率#和应变ε进行归一化处理；其 中，变形温度Τ的单位是Κ，应变速率?的单位是?Γ 1。
[0011] 步骤四、将TC6钛合金的锻造变形温度Τ、应变速率i和应变ε设为输入变量，上述三 个输入变量划分为大、中、小三个子集，表示为{LA，MI，SM}，晶粒尺寸da或体积分数fa设为输 出函数值;其中，晶粒尺寸da的单位是μπ?，体积分数fa的单位是％ ;
[0012] 步骤五、确定TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率^和应变ε在三个子集的隶属 函数分别为， Γι.
[0020]
[0021]
[0022] 式中，B j为隶属函数的方差，?Υ、T s分别为绝对锻造变形温度的最大值、最小值， 之、4分别为应变速率的最大值、最小值，￡L、es分别为应变的最大值、最小值。
[0023] 步骤六、确定TC6钛合金的锻造变形温度T、应变速率?和应变ε的模糊规则为，
[0024] t旲糊规则i :如果Τ是LA，i是LA，ε是LA，
[0025] 贝丨J，输出函数值ν = A + 了 + /#·十/仏 (4a)
[0026] 模糊规则权值 ￥=/，;( Γ)Λ/4 (·<；·) Λ/，(( 6·) (4b)
[0027] 式中，w1为第i条模糊规则的权值，'、g、f、A为第i条模糊规则的权系数， Λ为模糊算子的极小运算；
[0028]步骤七、建立TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸或体积分数的预测模型为，
[0029]
[0030]式中，m为模糊规则数，根据模糊区域划分，m = 33;
[0031] 步骤八、从TC6钛合金热模拟压缩变形和定量金相实验中获得的锻造变形温度、应 变速率、应变、晶粒尺寸、体积分数组合中选取多组数据组合为教师样本。采用教师样本对 预测模型式(5)进行训练，当晶粒尺寸或体积分数的累计误差小于2%时，确定模糊规则的 权系数4、WK和/4和模糊规则的权值W。将确定的模糊规则权系数和模糊规则权值 代入式(5)，即为TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸或体积分数的预测模型。
[0032] 本发明的有益效果是:该方法首先确定TC6钛合金的锻造变形温度、应变速率和应 变的9个隶属函数和27条模糊规则，再建立TC6钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学 模型;采用TC6钛合金高温压缩变形实验数据，优选出模糊规则权系数和权值，然后代入TC6 钛合金初生α相晶粒尺寸和体积分数的数学模型，得到TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸和 体积分数的预测模型。本发明方法预测的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸的测试样本结果 与实验结果之间的最大误差为4.45%，TC6钛合金锻件初生α相体积分数的测试样本结果与 实验结果之间的最大误差为4.62%。表明本发明所提供的TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸 和体积分数的预测方法具有较高的准确性和可靠性，可为实际生产优选出合适的锻造变形 工艺，节省大量的人力和物力。
[0033]下面结合【具体实施方式】对本发明作详细说明。
【具体实施方式】
[0034]实施例1 :TC6钛合金锻件初生α相晶粒尺寸的预测。
[0035] (1)将直径35mm的供应态TC6钛合金棒材进行机械加工，得到直径为8mm，高度12mm 的热模拟压缩试样；
[0036] (2)用无水乙醇清洗TC6钛合金试样，在其清洗表面涂敷玻璃润滑剂；
[0037] (3)选取锻造变形温度 1073K、1103K、1133K、1163K、1193K、1223K、1253K、1283K、 1313Κ，应变速率0.001、0.01、1、10、50 8 - 1，最大应变0.69;将1^6钛合金放置在 Thermecmaster-Z型热模拟压缩试验机工作台中央