1、 基本材料選取

材料：鈦合金 TC4 材料的組成為 Ti-6Al-4V，屬于(α+β)型鈦合金，圖 1 所示為其組織。

化學(xué)成分如下：

2、 材料基本性能簡介

具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能，使用溫度為 300~350℃。比強(qiáng)度大。TC4 的強(qiáng)度 sb=1.012GPa，密度 g=4.4×10³，比強(qiáng)度sb/g=23.5，而合金鋼的比強(qiáng)度 sb/g 小于 18。 鈦合金熱導(dǎo)率低。 鈦合金的熱導(dǎo)率為鐵的 1/5、鋁的 1/10，TC4 的熱導(dǎo)率 l=7.955W/m·K。與一般鈦合金相比，鈦鋁金屬間化合物的最大優(yōu)點(diǎn)是在較高的溫度條件下仍能保持良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，其中部分合金的最高使用溫度達(dá)到 816℃，個別合金使用溫度達(dá)到 982℃，重量輕，耐高溫，高強(qiáng)度，抗蠕變性能好使其成為未來海洋裝備和航空裝備最具競爭力的材料。鈦無毒、無重金屬析出，強(qiáng)度高且具有和人體較好的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，例如人體的骨關(guān)節(jié)，連接件，固定板等可用作植入人體的植入物等。目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的仍是 Ti-6Al-4v ELI 合金。

3 、材料應(yīng)變、時(shí)間和溫度的模擬關(guān)系

應(yīng)變和溫度的關(guān)系，在 815℃速率和流變峰值應(yīng)變圖如圖2：

初始應(yīng)變速率為 5×10^-3s^-1、溫度為 900℃，分別保溫5，10，15min 進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲得如下應(yīng)變與應(yīng)力的相應(yīng)的曲線如圖 3 所示。

如圖 3 所示：在試驗(yàn)高溫過程的拉伸，材料由于相應(yīng)的應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力先是很快達(dá)到頂值，然后又逐漸下降；并且隨著對應(yīng)應(yīng)變的增加，后期曲線逐漸變得平緩。保溫時(shí)間為 0~16min 范圍內(nèi)，應(yīng)變應(yīng)力曲線在短時(shí)間內(nèi)變化很大，圖形形成急速上升。

4、 建立數(shù)學(xué)模型及模具相關(guān)參數(shù)的模擬選取

在建立有限元模擬狀態(tài)之中，建立了合金材料模擬變形的變動應(yīng)力，與宏觀熱力參數(shù)之間的關(guān)系，為了獲得相應(yīng)的數(shù)值模擬最終狀態(tài)數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。文章通過對比指數(shù)模擬，串聯(lián)

模擬，以及并聯(lián)模型 Johnson-Cook，還有 Kumar 5 種高溫基本類型關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，對高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集整理，最終采用 Kumar 模型在溫度為：850~930℃，變化速率為：4×10^-4~1×10^-2s^-1，實(shí)際應(yīng)變?yōu)檎鎸?shí)變形的范圍內(nèi)，模擬建立了合金的高溫本構(gòu)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

氣壓成形是建立在高溫前提下的變形過程，模具和工件在溫度變化的同時(shí)會發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，并且考慮兩種材料的膨脹系數(shù)不同，變形量有差異，通過對比各類高溫模具材料不同溫度下的力學(xué)性能，特別是合金與這些材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行比較后。最后將選擇 Ni7N 即 ZG35Cr24Ni7SiN 作為TC4 氣壓成形模具材料。并依據(jù)兩者的高溫的機(jī)械性能參數(shù)和大型模具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定模具型面的縮放系數(shù)為6%。

聯(lián)立以上可求模具內(nèi)徑，加工氣壓。

在此基礎(chǔ)上根據(jù) FEA 的計(jì)算結(jié)果，確定了上下模具的結(jié)構(gòu)和尺寸。以上設(shè)計(jì)不考慮鈦管加工減薄量和加工過程是恒溫。

5、 結(jié)論

通過以上模擬計(jì)算和模具的模擬設(shè)計(jì)研究，為制造強(qiáng)度高，公差要求嚴(yán)的零部件提供了一種新的成型方案。

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