分享：TC4钛合金厚板热处理热透时间有限元仿真及验证

TC4钛合金在α+β型钛合金中应用最为广泛，该 合金是美国Illinois技术研究所于20世纪50年代初开 发出来的，是最早生产的钛合金之一[1]。TC4钛合金 厚板通常是指厚度>4.75 mm的TC4钛合金板材，由 于其良好的力学性能和工艺性能在航空航天等领域 广泛使用。 

钛合金厚板热处理过程中板材内部以热传导方 式传递热量。钛的热导率较低，是铁的1/4，铜的 1/7[2]。由于热导率较低且板材厚度较厚，TC4钛合金 厚板热处理中的热透时间问题尤为明显，需要对其 进行进一步的研究和探讨。

有限元仿真是利用数学近似的方法通过计算机 运算对真实物理系统进行仿真模拟，是解决复杂工 程分析计算问题的有效途径[3]。有限元仿真在材料加 工、机械制造、航空航天等领域均有广泛应用[4-5]。

本文以TC4钛合金厚板780℃热处理为例，采用 计算机有限元仿真的方法对TC4钛合金厚板热处理的 热透时间进行了有限元仿真研究，并通过验证实验 对有限元仿真得出的数据进行了比对验证，以期找 到TC4钛合金厚板热透时间与板材厚度之间的关系。

实验方法 

本研究实验分为计算机有限元仿真和热透时间 验证实验两部分，方法如下。

有限元仿真

计算机有限元仿真采用Simufact.forming软件， 通过软件内置建模模块建立TC4钛合金厚板模型，板 材建模规格如表1所示。

所建模型采用六面体单元进行网格划分，设定 板材初始温度20℃，退火温度780℃，假设板材热处 理过程中炉温恒定780℃且板材各个方向受热均匀。 规定板材从热处理开始到板材几何中心温度到达 (780±10)℃时所用的时间为热透时间。

热透时间验证实验

热透时间验证实验在H0301辊底式退火炉进 行，退火温度设定780℃，炉温控制精度为±10℃。

在板材边部打盲孔并在板材表面和孔内安放 热电偶，通过热电偶实时监测板材表面和内部的温 度。在有限元仿真采用的4个厚度规格中(见表1)，考 虑到25.4和50.8 mm板材边部的热电偶安装孔在板材 厚度方向上分布较密集(厚度方向上的孔间距分别为 6.35和12.7 mm)，各监测点板材温度因间距较小易造 成实验数据对比性不明显，而101.6 mm板材重量超 过实验用退火炉炉辊承重极限，为兼顾实验可行性 和数据可对比性，故在本实验中采用76.2 mm板材进 行验证。开孔孔径φ5 mm，热电偶直径φ4 mm，热电 偶监测点位于盲孔最深处，热电偶分布位置如表2所 示。从板材进炉开始每隔1 min，计算机自动监控系 统对板材表面、内部和炉温自动记录一次各热电偶 反馈的实时温度数据。

如表2所示，1~3号热电偶监测板材内部温度，4 号热电偶监测板材表面温度，5号热电偶监测炉温。 其中3号热电偶位于板材几何中心，规定3号热电偶监测温度到达(780±10)℃时所用的时间为热透时间。

结果与讨论

有限元仿真

表3为有限元仿真25.4、50.8、76.2、101.6 mm 四个厚度规格TC4钛合金厚板不同热处理时间时的板 材几何中心处温度。从表3可以看出，通过有限元仿 真得出25.4、50.8、76.2、101.6 mm TC4钛合金厚板 780℃热处理热透时间分别为25、50、70、90 min。 从表3可以看出，通过有限元仿真得出25.4、50.8、 76.2、101.6 mm TC4钛合金厚板780℃热处理热透时 间分别为25、50、70、90 min。

图1为有限元仿真25.4、50.8、76.2、101.6 mm四 个厚度规格TC4钛合金厚板热透时板材宽度1/2剖面 的温度分布图。从图1可以看出，四个厚度规格TC4 钛合金厚板热透时板材各处温度均在770~780℃，板 材表层温度比内部温度略高2~5℃。板材热处理时 由于上下面受热面积最大，热量主要通过上下面传 导至板材内部。随着板材厚度增加，板材边部受热面积增大，边部传热所占比例增加。经过热透时间 后，板材各处温度趋近于退火温度±10℃，但由于 此时板材各处温度梯度较小，板材升温速率极为缓 慢，随着热处理时间继续增加，板材各处温度将无 限接近退火温度。

表4为有限元仿真25.4、50.8、76.2、101.6 mm 四个厚度规格TC4钛合金厚板热透时间与板材厚度关系对照表。从表4可以得出，四个厚度规格TC4钛 合金厚板热透时间与板材厚度的比例系数约为0.9~ 1.0 min/mm，随着板材厚度增加，该比例系数呈减 小趋势。这是因为随着板材厚度增加，板材边部受 热面积增大，边部传热效应愈加显著，从而增强了 传热效果，缩短了热透时间。该热透时间与板材厚 度的比例系数通过有限元仿真方法得出，有必要通 过实际热处理实验来进行进一步的验证。

热透时间验证实验

图2为76.2 mm TC4钛合金厚板780℃热处理温 度曲线图。从图2可以看出，板材板厚1/4、3/4及1/2 处温度到达(780±10)℃用时60 min，即实验板材热透 时间为60 min。此外，板厚1/4处热处理起始温度约 100℃，板厚3/4及1/2处热处理起始温度约50℃，板 材表面热处理起始温度约400℃。总体来看，实验板 材热处理温度曲线呈现出三个阶段特征：第一阶段 为线性升温阶段，对应热处理的前15 min，此阶段板 材升温速率较快，板材温度近似呈直线上升；第二 阶段为非线性升温阶段，对应热处理的15~60 min， 此阶段板材升温速率开始放缓，且随着热处理时间 的延长，升温速率呈现出逐渐减小的趋势；第三阶 段为保温阶段，对应热处理的60 min以后，此阶段板 材升温速率趋近于零，板材温度无限接近于设定退 火温度780℃。

图3为TC4钛合金导热系数k随温度变化曲线 图，该图数据源自JMatPro数据库。

，该图数据源自JMatPro数据库。 从图3可以看出，TC4钛合金导热系数k随温度升 高而增大。根据热传导傅立叶定律：

其中，dQ为传热速率，W；k为导热系数，W/(m·K)； dA为导热面积，m2 ；dt/dn为温度梯度，K/m。线 性升温阶段板材导热系数较小但具有较大的温度梯度，板材升温速率较快；非线性升温阶段板材导热 系数增大但温度梯度减小更为显著，板材升温速率 逐渐减小；保温阶段板材导热系数虽较大但温度梯 度趋近于零，板材升温速度极为缓慢。

通过验证实验测得76.2 mm TC4钛合金厚板 780℃热处理热透时间为60 min，热透时间与板材厚 度的比例系数为0.79 min/mm，与之前同规格板材有 限元仿真的数据相比略小。这是因为有限元仿真建 模过程不可避免地要进行理想条件的假设，如假设 板材各处绝对均匀受热，板材热处理进炉过程的时 间忽略不计，板材热处理起始温度为室温。而在实 际热处理过程中，板材各处不可能绝对均匀受热， 板材热处理进炉和热处理计时开始存在一定的时间 差，从而导致板材热处理起始温度高于室温。总体 而言，有限元仿真的热透时间与验证实验测得的数 据相比较为接近，有限元仿真的数据结果具有一定 的参考价值。

结束语

(1) TC4钛合金厚板热处理过程中板材表层和内 部温度分布不均，加热初期板材升温速率较快，加 热中后期板材升温速率明显趋缓，经过热透时间后 板材表层和内部温度趋于一致并无限接近于保温温 度780℃。 

(2) TC4钛合金厚板780℃热处理热透时间与板材 厚度的比例系数为0.8~1.0 min/mm。

参考文献 

[1] 莱茵斯C，皮特尔斯M. 钛与钛合金. 北京：化学工业出版社， 2005 

[2] 张喜燕，赵永庆，白晨光. 钛合金及应用. 北京：化学工业出版 社，2005 

[3] 刘庄. 热处理过程的数值模拟. 北京：科学出版社，2005 

[4] 朱加铭. 有限元与边界元法. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2002 

[5] 张国兴，陶怡，王永科，等. 钢坯内部温度场动态预报模型及 ANSYS分析研究. 热加工工艺，2009，38(15)：34

文章来源——金属世界