確定tc17鈦合金坯料在熱處理爐內加熱時間的方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及材料領域，具體是一種確定熱處理爐內受熱TC17鈦合金坯料加熱時間的方法。
【背景技術】
[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)動機的風扇及壓氣機盤件上得到廣泛的應用。航空工業(yè)傳統(tǒng)的結構設計準則主要是靜強度設計。隨著人們認識的深化和斷裂力學的發(fā)展，航空器結構廢棄了過去單純靜強度設計的概念，開始采用損傷容限設計準則。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，損傷容限設計準則在民用和軍用航空產品中獲得廣泛的應用。斷裂韌性、疲勞裂紋擴展抗力是損傷容限設計準則中的主要指標。
[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的加熱時間并不容易。TC17鈦合金熱導率較低，外部熱量較難傳入坯料心部。如果TC17鈦合金坯料在爐內加熱時間短，那么坯料心部和外部溫差較大，當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處理構件滿足使用要求，需要對TC17鈦合金坯料在熱處理爐內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，在當前工程應用中，TC17鈦合金坯料在熱處理爐內加熱時間的確定還停止在經(jīng)驗階段，國內尚未基于傳熱學理論對該工藝過程進行指導。

【發(fā)明內容】

[0005]為了確定TC17鈦合金坯料各部位在熱處理爐內實現(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鈦合金棒料的準備:從棒料端面圓心處向內鉆一個導線盲孔;將一個熱電偶裝入所述導線盲孔中，并用保溫棉將所述熱電偶導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入Deform3D前處理模塊;研究對象設置為剛體，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傳熱設置；打開Deform 3D中的heat treatment模塊，將DB數(shù)據(jù)文件導入；定義棒料的上端面、下端面和側面為傳熱界面，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入Deform 3D中，重復步驟I至步驟ΙΠ所述的模型設置工作;將步驟IV中所確定的最優(yōu)換熱系數(shù)導入;設置完成后通過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溫度時所對應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仿真軟件的傳熱學分析，建立起確定TC17鈦合金坯料在熱處理爐內加熱時間的方法。
[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實現(xiàn)均勻熱透的加熱時間。本發(fā)明應用于精確控制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