确定TC17钛合金坯料在热处理炉内加热时间的方法

摘要

一种确定TC17钛合金坯料在热处理炉内加热时间的方法，基于TC17钛合金棒料加热试验以及Deform仿真软件的传热学分析，建立起确定TC17钛合金坯料在热处理炉内加热时间的方法。本发明应用于精确控制TC17钛合金坯料β锻或β处理前加热时间，在实现TC17钛合金坯料均匀热透的同时避免过长时间加热造成的组织粗化，从而保证最终组织满足要求。在实际生产中使用该加热时间，能在实现TC17钛合金坯料均匀热透的同时避免过长时间加热造成的组织粗化。本发明中的各TC17钛合金坯料可为任意状态和任意形状。

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体是一种确定热处理炉内受热TC17钛合金坯料加热时 间的方法。

背景技术

TC17钛合金因具有优良的强度、淬透性、疲劳和断裂韧性匹配，在航空发动机的 风扇及压气机盘件上得到广泛的应用。航空工业传统的结构设计准则主要是静强度设 计。随着人们认识的深化和断裂力学的发展，航空器结构废弃了过去单纯静强度设计 的概念，开始采用损伤容限设计准则。1974年，美国空军制定了损伤容限的军用规范 MIL-A-8344(USAF)，自此以后，损伤容限设计准则在民用和军用航空产品中获得广 泛的应用。断裂韧性、疲劳裂纹扩展抗力是损伤容限设计准则中的主要指标。

β锻和β处理是确保TC17钛合金获得好的断裂韧性、疲劳裂纹扩展抗力的主要手 段，这就要求TC17钛合金坯料必须加热到β相变点以上温度。然而如何确定TC17 钛合金坯料在热处理炉内的加热时间并不容易。TC17钛合金热导率较低，外部热量较 难传入坯料心部。如果TC17钛合金坯料在炉内加热时间短，那么坯料心部和外部温 差较大，当TC17钛合金坯料外部温度在β相变点以上时，坯料心部温度可能还在α+β 两相区。这种情况下制造出来的零件会出现心部为等轴组织，外部为网篮组织的情况， 严重影响零件的断裂性能。如果TC17钛合金坯料在炉内加热时间过长，此时，由于 原子的热扩散比较活跃，β晶粒会以很快的速度长大。这种情况下TC17钛合金组织会 出现局部粗晶的现象，严重降低零件的塑性，难以满足交付要求。

综上所述，为了保证TC17钛合金β锻或β处理构件满足使用要求，需要对TC17 钛合金坯料在热处理炉内的加热时间进行精确控制，在保证坯料热透的同时防止TC17 钛合金β晶粒的快速长大。然而，在当前工程应用中，TC17钛合金坯料在热处理炉内 加热时间的确定还停止在经验阶段，国内尚未基于传热学理论对该工艺过程进行指导。

发明内容

为了确定TC17钛合金坯料各部位在热处理炉内实现均匀热透时的加热时间，本 发明提出了一种确定TC17钛合金坯料在热处理炉内加热时间的方法。

本发明的具体步骤是：

步骤1，TC17钛合金棒料的准备：从棒料端面圆心处向内钻一个导线盲孔；将一 个热电偶装入所述导线盲孔中，并用保温棉将所述热电偶导线与孔壁间的缝隙封堵； 将另一热电偶固定在棒料外壁任意位置；两个热电偶分别通过导线与温度显示面板连 接；

步骤2，TC17钛合金棒料的加热试验：将棒料置于已加热至920℃的热处理炉中； 采集棒料表面和心部的温度，采集频率为每2min采集一次，直到所述棒料表面和心部 的温度均达到920℃；得到棒料心部和表面的升温曲线；

步骤3，确定TC17钛合金最优换热系数：

根据得到的TC17钛合金棒料心部和表面的升温曲线进行该合金最优换热系数的 确定工作，该项工作基于Deform3D仿真软件中的heattreatment模块完成；具体流程 为：

Ⅰ模型导入；通过Pro/E建立棒料的三维模型；将所述棒料的三维模型导入 Deform3D前处理模块；研究对象设置为刚体，初始温度为20℃；按常规方法对棒料 三维模型划分网格，单元划分为100000个；

ⅡTC17钛合金热物理参数的导入；依据钛合金材料性能手册，将TC17钛合金 在不同温度下的热导率、比热容分别录入Deform3D前处理模块的材料库；将棒料三 维模型定义为TC17钛合金并保存DB数据文件，退出前处理；

Ⅲ传热设置；打开Deform3D中的heattreatment模块，将DB数据文件导入； 定义棒料的上端面、下端面和侧面为传热界面，定义环境温度为920℃；

Ⅳ最优换热系数的确定；在确定最优换热系数时，首先确定一组初始的换热系数； 将确定的初始换热系数分别导入DB数据文件中计算，将各换热系数条件下棒料表面 及心部的升温曲线提取出来后与实测值进行对比，最吻合的模型所对应的换热系数即 为最优的换热系数；所述的一组初始的换热系数的数量为6～10个。

步骤4，确定TC17钛合金坯料加热时间：得到TC17钛合金的最优换热系数之后， 通过Deform3D软件确定TC17钛合金坯料的加热时间；将TC17钛合金坯料三维模 型导入Deform3D中，重复步骤Ⅰ至步骤Ⅲ所述的模型设置工作；将步骤Ⅳ中所确定 的最优换热系数导入；设置完成后通过Deform3D计算，得到TC17钛合金坯料表面 及心部的升温曲线，将所述TC17钛合金坯料表面及心部的温度都达到目标温度时所 对应的时间作为实际加热时间。

本发明基于TC17钛合金棒料加热试验以及Deform仿真软件的传热学分析，建立 起确定TC17钛合金坯料在热处理炉内加热时间的方法。

本发明利用TC17钛合金棒料加热试验及Deform3D仿真软件，建立了一种确定 TC17钛合金坯料在热处理炉内换热系数的方法。利用本发明，能够获得TC17钛合金 坯料各部位在热处理炉内实现均匀热透的加热时间。本发明应用于精确控制TC17钛 合金坯料β锻或β处理前加热时间，在实现TC17钛合金坯料均匀热透的同时避免过 长时间加热造成的组织粗化，从而保证最终组织满足要求。附图1所示为本发明中利 用热电偶测试TC17钛合金棒料温度的示意图。附图2是本发明实施例1中最优换热 系数条件下TC17钛合金棒料表面与心部升温曲线的模拟值与实测值对比，发现最优 换热系数下TC17钛合金棒料边缘和心部的实测温升曲线与模拟温升曲线基本吻合。 表明该最优换热系数的有效性。附图3是本发明实施例1中根据最优换热系数预测的 TC17钛合金坯料表面和心部的温升曲线，利用这两条曲线能够确定该TC17钛合金坯 料实现全面热透的时间。在实际生产中使用该加热时间，能在实现TC17钛合金坯料 均匀热透的同时避免过长时间加热造成的组织粗化。

本发明中的各TC17钛合金坯料可为任意状态和任意形状。

附图说明

图1是本发明中利用热电偶测试棒料温度的示意图。其中：1.热电偶；2.保温棉； 3.温度显示面板。

图2是本发明实施例1中最优换热系数条件下棒料表面与心部升温曲线的模拟值 与实测值对比。其中：4.棒料表面温升模拟曲线；5.棒料表面温升实测曲线；6.棒料心 部温升模拟曲线；7.棒料心部温升实测曲线。

图3是本发明实施例1中根据最优换热系数预测的TC17钛合金坯料温升曲线。 其中：8.TC17钛合金坯料表面温升模拟曲线；9.TC17钛合金坯料心部温升模拟曲线。

图4是本发明技术方案的详细示意图

图5是本发明的流程图。

具体实施方式

本实施例是一种确定TC17钛合金坯料在热处理炉内加热时间的方法。

本实施例的具体步骤是：

步骤1，TC17钛合金棒料加热试验：棒料的大小取为Ф300mm×320mm。棒料加 热试验的目的是获得TC17钛合金心部和表面的升温曲线，为后续确定该合金的换热 系数作参考。为了测得棒料心部温度，需要从棒料端面圆心处向内钻一个深为160mm 的孔，直径取为Ф10mm，如图1所示。为了最大程度地真实反映棒料心部在加热过 程中的升温过程，必须减小钻孔对加热试验中棒料心部温度的影响。基于以上考虑， 将保温棉2塞入热电偶导线与孔壁的缝隙中，以隔绝棒料心部与外界空气的热交换。 为了测得棒料表面温度，将另一热电偶1附于棒料外壁，用焊接固定。两条热电偶1 的另一端均与温度显示面板3连接。以上工作完成后，将棒料置于已经加热至920℃ 的热处理炉中。炉门关闭后开始棒料表面和心部温度的读取采集工作，每隔2分钟采 集一次，直到两点温度均达到920℃，此时，棒料热透。

步骤2，确定TC17钛合金换热系数：得到TC17钛合金棒料心部和表面的升温曲 线之后，开始进行TC17钛合金最优换热系数的确定工作，该项工作基于Deform3D 仿真软件中的heattreatment模块完成。具体流程为：

Ⅰ模型导入。首先把在Pro/E中建好的Ф300mm×320mm棒料三维模型导入 Deform3D前处理模块。研究对象设置为刚体，初始温度为室温20℃。随后对棒料三 维模型划分网格，单元划分为100000个；

ⅡTC17钛合金热物理参数的导入。依据ASM出版的钛合金材料性能手册 MaterialsPropertiesHandbook，将TC17钛合金不同温度下的热导率、比热容分别录入 Deform3D材料库。将棒料三维模型定义为TC17钛合金之后保存DB数据文件，退出 前处理；

Ⅲ传热设置。打开Deform3D中的heattreatment模块，把所述DB数据文件导 入。定义棒料上下端面和侧面为传热界面，定义环境温度为920℃；

Ⅳ最优换热系数的确定。在确定最优换热系数时，首先确定一组初始的换热系数， 初始的换热系数的数量为6～10个。本发明取为0.08N/s/mm/℃、0.13N/s/mm/℃、0.18 N/s/mm/℃、0.23N/s/mm/℃、0.28N/s/mm/℃、0.33N/s/mm/℃、0.38N/s/mm/℃、0.43 N/s/mm/℃。将以上8个换热系数分别导入模型中计算，将各换热系数条件下TC17钛 合金棒料表面及心部的升温曲线提取出来后与实测值进行对比，最吻合的模型所对应 的换热系数即为TC17钛合金最优的换热系数。图2所示曲线4和曲线5分别为TC17 钛合金棒料表面在换热系数为0.13N/s/mm/℃时模拟与实测升温曲线对比。图2所示 曲线6和曲线7分别为TC17钛合金棒料心部在换热系数为0.13N/s/mm/℃时模拟与实 测升温曲线对比。发现该换热系数下，模拟与实测升温曲线较吻合。因此0.13 N/s/mm/℃为TC17钛合金在热处理炉内的最优换热系数。

步骤3，确定TC17钛合金坯料加热时间：得到TC17钛合金的升温换热系数之后， 进行该合金坯料加热时间的确定。将外径为Ф630mm，内径为Ф220mm，高度为230 mm的坯料三维模型导入Deform3D中，重复步骤Ⅰ至步骤Ⅲ所述的模型设置工作， 然后将前期所确定的最优换热系数0.13N/s/mm/℃导入。设置完成后进行模型计算。 计算完成后提取坯料表面及心部的升温曲线，将两部位温度都达到目标温度时所对应 的时间作为实际加热时间。图3所示曲线8和曲线9分别为TC17钛合金坯料表面和 心部在换热系数为0.13N/s/mm/℃时的模拟升温曲线。根据图3曲线可知，要将该坯 料升温到920℃，需要的加热时间为210min。

本发明的效果在于：利用本发明，建立了一种确定TC17钛合金坯料在热处理炉 内加热时间的方法，能够获得TC17钛合金坯料各部位在热处理炉内实现均匀热透的 加热时间，从而指导了生产，实现了工程与理论相结合。