1、 基(ji)本材(cai)料(liao)选取
材(cai)料：钛(tai)合金(jin) TC4 材料(liao)的组成(cheng)为(wei) Ti-6Al-4V，属(shu)于(yu)(α+β)型钛合金(jin)，图 1 所示为其组织。
化学成(cheng)分(fen)如(ru)下：
2、 材料基(ji)本性(xing)能(neng)简介(jie)
具(ju)有良好(hao)的(de)综(zong)合(he)力学(xue)机械性能(neng)，使用(yong)温(wen)度(du)为(wei) 300~350℃。比强度(du)大(da)。TC4 的(de)强度 sb=1.012GPa，密度 g=4.4×103，比强度(du)sb/g=23.5，而合(he)金(jin)钢的(de)比强(qiang)度(du) sb/g 小(xiao)于(yu) 18。 钛合金(jin)热(re)导(dao)率(lv)低。 钛(tai)合(he)金的(de)热导(dao)率(lv)为铁的(de) 1/5、铝的 1/10，TC4 的热导(dao)率(lv) l=7.955W/m·K。与一般(ban)钛合(he)金相比，钛(tai)铝(lv)金属(shu)间(jian)化(hua)合物(wu)的(de)最(zui)大(da)优点(dian)是在较高的(de)温度(du)条(tiao)件下(xia)仍(reng)能保持良(liang)好的(de)机(ji)械(xie)性能(neng)和耐腐(fu)蚀性(xing)能，其中部(bu)分合(he)金(jin)的最高使(shi)用(yong)温(wen)度(du)达(da)到(dao) 816℃，个(ge)别合(he)金(jin)使用温度(du)达到 982℃，重量轻(qing)，耐(nai)高温(wen)，高(gao)强度(du)，抗(kang)蠕变性能好(hao)使(shi)其(qi)成为未(wei)来(lai)海洋(yang)装备和(he)航(hang)空装备最具(ju)竞争(zheng)力(li)的(de)材(cai)料。钛无毒、无(wu)重金属析出(chu)，强度(du)高(gao)且具(ju)有(you)和(he)人(ren)体较(jiao)好(hao)的(de)生(sheng)物(wu)相(xiang)容性(xing)，是非常理想的医用金属(shu)材(cai)料，例(li)如(ru)人体(ti)的(de)骨(gu)关节，连接(jie)件(jian)，固定(ding)板等(deng)可(ke)用作(zuo)植入人(ren)体(ti)的(de)植(zhi)入(ru)物(wu)等(deng)。目(mu)前，在(zai)医(yi)学(xue)领域(yu)中广泛使(shi)用(yong)的(de)仍(reng)是(shi) Ti-6Al-4v ELI 合金。
3 、材料(liao)应变(bian)、时间和(he)温(wen)度的模(mo)拟(ni)关系
应变和(he)温(wen)度的关(guan)系(xi)，在 815℃速(su)率和(he)流(liu)变(bian)峰(feng)值应(ying)变图如(ru)图2：
初始应(ying)变(bian)速率为(wei) 5×10-3s-1、温(wen)度(du)为(wei) 900℃，分(fen)别保(bao)温(wen)5，10，15min 进行(xing)拉伸试验(yan)获(huo)得(de)如下应(ying)变与应力的(de)相应的曲线(xian)如(ru)图(tu) 3 所(suo)示。
如(ru)图 3 所示：在试验(yan)高(gao)温过(guo)程(cheng)的(de)拉伸(shen)，材(cai)料(liao)由(you)于(yu)相(xiang)应的应变(bian)所对应(ying)的(de)应力(li)先是很(hen)快达(da)到(dao)顶(ding)值，然后(hou)又逐渐(jian)下(xia)降；并(bing)且随着(zhe)对应(ying)应变(bian)的(de)增(zeng)加，后期(qi)曲线(xian)逐(zhu)渐(jian)变(bian)得(de)平(ping)缓(huan)。保(bao)温(wen)时间为 0~16min 范(fan)围内，应变(bian)应(ying)力曲(qu)线(xian)在短时间内(nei)变(bian)化(hua)很大(da)，图形形(xing)成急(ji)速(su)上(shang)升(sheng)。
4、 建(jian)立数学模(mo)型及模(mo)具(ju)相关参数的模拟选取(qu)
在(zai)建立有限元(yuan)模拟(ni)状(zhuang)态(tai)之(zhi)中(zhong)，建立了合(he)金(jin)材料(liao)模(mo)拟(ni)变形(xing)的(de)变动(dong)应(ying)力，与(yu)宏观(guan)热力参数(shu)之间的(de)关(guan)系(xi)，为(wei)了(le)获(huo)得相应的(de)数(shu)值(zhi)模拟最(zui)终(zhong)状态(tai)数据(ju)尤(you)为(wei)关(guan)键(jian)。文(wen)章(zhang)通(tong)过(guo)对(dui)比(bi)指(zhi)数模(mo)拟(ni)，串联
模拟，以(yi)及并联模型(xing) Johnson-Cook，还(hai)有 Kumar 5 种高(gao)温(wen)基本类(lei)型关(guan)系(xi)的(de)经验公式，对(dui)高(gao)温(wen)拉伸(shen)试验数(shu)据(ju)的收集(ji)整(zheng)理(li)，最(zui)终采用 Kumar 模(mo)型(xing)在温(wen)度(du)为(wei)：850~930℃，变化速(su)率(lv)为(wei)：4×10-4~1×10-2s-1，实际(ji)应变为(wei)真(zhen)实(shi)变(bian)形(xing)的(de)范(fan)围(wei)内(nei)，模拟建(jian)立(li)了合金的(de)高(gao)温(wen)本(ben)构(gou)方(fang)程(cheng)的数(shu)学(xue)表达(da)式如下：
气压(ya)成(cheng)形(xing)是建立(li)在高(gao)温前(qian)提下(xia)的变(bian)形过程，模具(ju)和工件(jian)在(zai)温度(du)变(bian)化的(de)同时(shi)会(hui)发生热胀(zhang)冷缩的现(xian)象(xiang)，并(bing)且(qie)考虑两(liang)种材料(liao)的膨胀(zhang)系数不(bu)同，变(bian)形量有差(cha)异，通过(guo)对比(bi)各类高温模(mo)具材料(liao)不同温(wen)度下的力(li)学性(xing)能，特别是合(he)金(jin)与这些(xie)材(cai)料(liao)的(de)线膨(peng)胀(zhang)系(xi)数进(jin)行比较后。最(zui)后将(jiang)选择 Ni7N 即 ZG35Cr24Ni7SiN 作为(wei)TC4 气压成形模具材料。并(bing)依据两(liang)者的(de)高温(wen)的(de)机(ji)械(xie)性(xing)能参(can)数和大(da)型模具设计(ji)的(de)经验数据，确(que)定(ding)模(mo)具型(xing)面的(de)缩放系(xi)数为(wei)6%。
联(lian)立(li)以(yi)上可(ke)求(qiu)模具(ju)内径，加工(gong)气(qi)压。
在(zai)此(ci)基(ji)础上根(gen)据 FEA 的(de)计(ji)算(suan)结(jie)果，确(que)定了上下模(mo)具(ju)的结构(gou)和(he)尺(chi)寸。以上(shang)设(she)计(ji)不考(kao)虑钛管加工(gong)减(jian)薄量(liang)和加工过(guo)程是(shi)恒(heng)温。
5、 结论
通(tong)过(guo)以(yi)上(shang)模(mo)拟计(ji)算和(he)模(mo)具的模(mo)拟设计(ji)研究(jiu)，为制(zhi)造强(qiang)度(du)高(gao)，公(gong)差要求(qiu)严(yan)的(de)零(ling)部(bu)件提供(gong)了(le)一种(zhong)新的成型方案。
相(xiang)关(guan)链接
