確定tc17鈦合金坯料在熱處理爐內(nèi)加熱時間的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體是一種確定熱處理爐內(nèi)受熱TC17鈦合金坯料加熱時間的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TC17鈦合金因具有優(yōu)良的強度、淬透性、疲勞和斷裂韌性匹配，在航空發(fā)動機的風(fēng)扇及壓氣機盤件上得到廣泛的應(yīng)用。航空工業(yè)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則主要是靜強度設(shè)計。隨著人們認識的深化和斷裂力學(xué)的發(fā)展，航空器結(jié)構(gòu)廢棄了過去單純靜強度設(shè)計的概念，開始采用損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則。1974年，美國空軍制定了損傷容限的軍用規(guī)范MIL-A-8344(USAF)，自此以后，損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則在民用和軍用航空產(chǎn)品中獲得廣泛的應(yīng)用。斷裂韌性、疲勞裂紋擴展抗力是損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則中的主要指標(biāo)。
[0003]β鍛和β處理是確保TC17鈦合金獲得好的斷裂韌性、疲勞裂紋擴展抗力的主要手段，這就要求TC17鈦合金坯料必須加熱到β相變點以上溫度。然而如何確定TC17鈦合金坯料在熱處理爐內(nèi)的加熱時間并不容易。TC17鈦合金熱導(dǎo)率較低，外部熱量較難傳入坯料心部。如果TC17鈦合金坯料在爐內(nèi)加熱時間短，那么坯料心部和外部溫差較大，當(dāng)TC17鈦合金坯料外部溫度在β相變點以上時，坯料心部溫度可能還在α+β兩相區(qū)。這種情況下制造出來的零件會出現(xiàn)心部為等軸組織，外部為網(wǎng)籃組織的情況，嚴重影響零件的斷裂性能。如果TC17鈦合金坯料在爐內(nèi)加熱時間過長，此時，由于原子的熱擴散比較活躍，β晶粒會以很快的速度長大。這種情況下TC17鈦合金組織會出現(xiàn)局部粗晶的現(xiàn)象，嚴重降低零件的塑性，難以滿足交付要求。
[0004]綜上所述，為了保證TC17鈦合金β鍛或β處理構(gòu)件滿足使用要求，需要對TC17鈦合金坯料在熱處理爐內(nèi)的加熱時間進行精確控制，在保證坯料熱透的同時防止TC17鈦合金β晶粒的快速長大。然而，在當(dāng)前工程應(yīng)用中，TC17鈦合金坯料在熱處理爐內(nèi)加熱時間的確定還停止在經(jīng)驗階段，國內(nèi)尚未基于傳熱學(xué)理論對該工藝過程進行指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了確定TC17鈦合金坯料各部位在熱處理爐內(nèi)實現(xiàn)均勻熱透時的加熱時間，本發(fā)明提出了一種確定TC17鈦合金坯料在熱處理爐內(nèi)加熱時間的方法。
[0006]本發(fā)明的具體步驟是:
[0007]步驟1，TC17鈦合金棒料的準(zhǔn)備:從棒料端面圓心處向內(nèi)鉆一個導(dǎo)線盲孔;將一個熱電偶裝入所述導(dǎo)線盲孔中，并用保溫棉將所述熱電偶導(dǎo)線與孔壁間的縫隙封堵;將另一熱電偶固定在棒料外壁任意位置;兩個熱電偶分別通過導(dǎo)線與溫度顯示面板連接；
[0008]步驟2，TC17鈦合金棒料的加熱試驗:將棒料置于已加熱至920°C的熱處理爐中；采集棒料表面和心部的溫度，采集頻率為每2min采集一次，直到所述棒料表面和心部的溫度均達到920°C;得到棒料心部和表面的升溫曲線；
[0009]步驟3，確定TC17鈦合金最優(yōu)換熱系數(shù):
[0010]根據(jù)得到的TC17鈦合金棒料心部和表面的升溫曲線進行該合金最優(yōu)換熱系數(shù)的確定工作，該項工作基于Deform 3D仿真軟件中的heat treatment模塊完成;具體流程為:
[0011]I模型導(dǎo)入;通過Pro/E建立棒料的三維模型；將所述棒料的三維模型導(dǎo)入Deform3D前處理模塊;研究對象設(shè)置為剛體，初始溫度為20°C ；按常規(guī)方法對棒料三維模型劃分網(wǎng)格，單元劃分為100000個；
[0012]Π TC17鈦合金熱物理參數(shù)的導(dǎo)入;依據(jù)鈦合金材料性能手冊，將TC17鈦合金在不同溫度下的熱導(dǎo)率、比熱容分別錄入Deform 3D前處理模塊的材料庫;將棒料三維模型定義為TC17鈦合金并保存DB數(shù)據(jù)文件，退出前處理；
[0013]ΙΠ傳熱設(shè)置；打開Deform 3D中的heat treatment模塊，將DB數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入；定義棒料的上端面、下端面和側(cè)面為傳熱界面，定義環(huán)境溫度為920°C;
[0014]IV最優(yōu)換熱系數(shù)的確定;在確定最優(yōu)換熱系數(shù)時，首先確定一組初始的換熱系數(shù)；將確定的初始換熱系數(shù)分別導(dǎo)入DB數(shù)據(jù)文件中計算，將各換熱系數(shù)條件下棒料表面及心部的升溫曲線提取出來后與實測值進行對比，最吻合的模型所對應(yīng)的換熱系數(shù)即為最優(yōu)的換熱系數(shù);所述的一組初始的換熱系數(shù)的數(shù)量為6?10個。
[0015]步驟4，確定TC17鈦合金坯料加熱時間:得到TC17鈦合金的最優(yōu)換熱系數(shù)之后，通過Deform 3D軟件確定TC17鈦合金坯料的加熱時間；將TC17鈦合金坯料三維模型導(dǎo)入Deform 3D中，重復(fù)步驟I至步驟ΙΠ所述的模型設(shè)置工作;將步驟IV中所確定的最優(yōu)換熱系數(shù)導(dǎo)入;設(shè)置完成后通過Deform 3D計算，得到TC17鈦合金坯料表面及心部的升溫曲線，將所述TC17鈦合金坯料表面及心部的溫度都達到目標(biāo)溫度時所對應(yīng)的時間作為實際加熱時間。
[0016]本發(fā)明基于TC17鈦合金棒料加熱試驗以及Deform仿真軟件的傳熱學(xué)分析，建立起確定TC17鈦合金坯料在熱處理爐內(nèi)加熱時間的方法。
[0017]本發(fā)明利用TC17鈦合金棒料加熱試驗及Deform3D仿真軟件，建立了一種確定TC17鈦合金坯料在熱處理爐內(nèi)換熱系數(shù)的方法。利用本發(fā)明，能夠獲得TC17鈦合金坯料各部位在熱處理爐內(nèi)實現(xiàn)均勻熱透的加熱時間。本發(fā)明應(yīng)用于精確控制TC17鈦合金坯料β鍛或β處理前加熱時間，在實現(xiàn)TC17鈦合金坯料均勻熱透的同時避免過長時間加熱造成的組織粗化，從而保證最終組織滿足要求。附圖1所示為本發(fā)明中利用熱電偶測試TC17鈦合金棒料溫度的示意圖。附圖2是本發(fā)明實施例1中最優(yōu)換熱系數(shù)條件下TC17鈦合金棒料表面與心部升溫曲線的模擬值與實測值對比，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)換熱系數(shù)下TC17鈦合金棒料邊緣和心部的實測溫升曲線與模擬溫升曲線基本吻合。表明該最優(yōu)換熱系數(shù)的有效性。附圖3是本發(fā)明實施例1中根據(jù)最優(yōu)換熱系數(shù)預(yù)測的TC17鈦合金坯料表面和心部的溫升曲線，利用這兩條曲線能夠確定該TC17鈦合金坯料實現(xiàn)全面熱透的時間。在實際生產(chǎn)中使用該加熱時間，能在實現(xiàn)TC17鈦合金坯料均勻熱透的同時避免過長時間加熱造成的組織粗化。
[0018]本發(fā)明中的各TC17鈦合金坯料可為任意狀態(tài)和任意形狀。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明中利用熱電偶測試棒料溫度的示意圖。其中:1.熱電偶;2.保溫棉;3.溫度顯不面板。
[0020]圖2是本發(fā)明實施例1中最優(yōu)換熱系數(shù)條件下棒料表面與心部升溫曲線的模擬值與實測值對比。其中:4.棒料表面溫升模擬曲線;5.棒料表面溫升實測曲線;6.棒料心部溫升模擬曲線;7.棒料心部溫升實測曲線。
[0021]圖3是本發(fā)明實施例1中根據(jù)最優(yōu)換熱系數(shù)預(yù)測的TC17鈦合金坯料溫升曲線。其中:8.TC17鈦合金坯料表面溫升模擬曲線;9.TC17鈦合金坯料心部溫升模擬曲線。
[0022 ]圖4是本發(fā)明技術(shù)方案的詳細示意圖
[0023]圖5是本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】
[0024]本實施例是一種確定TC17鈦合金坯料在熱處理爐內(nèi)加熱時間的方法。
[0025]本實施例的具體步驟是:
[0026]步驟1，TC17鈦合金棒料加熱試驗:棒料的大小取為Φ 300mm X 320mm。棒料加熱試驗的目的是獲得TC17鈦合金心部和表面的升溫曲線，為后續(xù)確定該合金的換熱系數(shù)作參考。為了測得棒料心部溫度，需要從棒料端面圓