Ottimizzazione del processo e analisi delle prestazioni dell'estrusione di tubi in lega di titanio Ti-B25

Per accelerare l'applicazione della lega di titanio Ti-B25 nei sistemi di comunicazione delle navi, questo studio ha utilizzato il software a elementi finiti DEFORM-3D per simulare il processo di estrusione del tubo in condizioni di temperatura di deformazione di 900 gradi e velocità di deformazione di 0,1 s^-1 in base all'equazione costitutiva stabilita nella fase iniziale e ai parametri di processo ottimizzati dal diagramma di lavoro a caldo, e lo ha verificato tramite esperimenti di estrusione reali. I risultati mostrano che in queste condizioni di processo, un billetta di tubo in lega di titanio Ti-B25 con un diametro di 62 mm × 12 mm è stata estrusa con successo, con un'eccellente qualità della superficie e grani ricristallizzati nella struttura. Dopo il trattamento di invecchiamento in soluzione a 830 gradi/1h + 600 gradi/8h, la billetta del tubo ha mostrato un'eccellente corrispondenza resistenza-plasticità, che ha soddisfatto pienamente i requisiti di utilizzo dei tubi antenna delle navi.

I. Costruzione del modello ad elementi finiti
1. Modello geometrico
La figura 1 mostra uno schema del billet estruso e della matrice. Il modello tridimensionale del billet, del cilindro di estrusione e dell'asta di estrusione è stato costruito utilizzando il software SolidWorks e convertito in un file STL che può essere riconosciuto dal software DEFORM-3D.

Per migliorare l'efficienza del calcolo, solo 1/4 del tubo è stato reticolato finemente (vedere Figura 2) per garantire l'accuratezza e la convergenza del processo di simulazione.

2. Modello costitutivo
Sulla base dello studio precedente sul comportamento di deformazione ad alta temperatura della lega di titanio Ti-B25, questa simulazione utilizza un'equazione costitutiva specifica (la formula specifica è qui omessa e visualizzata sotto forma di immagine), che descrive accuratamente il comportamento reologico del materiale a diverse temperature e velocità di deformazione.

3. Impostazione dei parametri
Secondo lo schema di elaborazione termica della lega di titanio Ti-B25, la temperatura di deformazione è selezionata come 900 gradi e la velocità di deformazione è 0.1 s^-1. Allo stesso tempo, il coefficiente di attrito tra la billetta e la matrice è impostato su 0,3 e la conduttività termica è impostata su 5. Il processo di simulazione utilizza una dimensione del passo di 0,5 mm, un totale di 600 passi e i dati vengono salvati ogni 2 passi per garantire l'esaustività dei risultati della simulazione.

II. Risultati della simulazione e analisi
1. Analisi del campo di stress
La figura 3 mostra la distribuzione del campo di stress dei billette di tubi in lega di titanio Ti-B25 in diverse fasi durante il processo di estrusione. Nella fase iniziale, il grande stress è concentrato sulla testa e sulla coda del tubo; man mano che l'estrusione procede, lo stress aumenta significativamente dopo che l'estremità anteriore entra nel cilindro di estrusione e lo stress viene rapidamente rilasciato dopo il passaggio attraverso la cinghia di dimensionamento. Lo stress equivalente massimo continua ad apparire al raggio della matrice del cilindro di estrusione.

2. Analisi del campo di deformazione
La figura 4 mostra i cambiamenti del campo di deformazione durante il processo di estrusione. La deformazione iniziale è piccola e, quando il tubo passa attraverso la cinghia di dimensionamento, la deformazione aumenta bruscamente, specialmente al raggio della cinghia di dimensionamento, che è facile che formi una zona morta di deformazione, e si dovrebbe prestare particolare attenzione.

3. Analisi del campo di temperatura
La figura 5 mostra la distribuzione del campo di temperatura durante il processo di estrusione. Nella fase iniziale, la superficie del billet del tubo si raffredda a causa dello scambio di calore e la parte di deformazione si riscalda a causa della conversione del lavoro di deformazione plastica in energia termica, con conseguente grave campo di temperatura irregolare. La differenza di temperatura più alta e più bassa è di 170 gradi, il che suggerisce che la temperatura di deformazione deve essere strettamente controllata e la progettazione della matrice deve essere ottimizzata.

III. Esperimento di estrusione di tubi
1. Valutazione della qualità della superficie
L'esperimento utilizza i parametri di temperatura di deformazione 900 gradi, velocità di deformazione 0,1 s^-1 e velocità di estrusione 50 mm/s per l'estrusione. Come mostrato nella Figura 6, il tubo estruso ha un'elevata rettilineità e una superficie liscia, ma ci sono lievi difetti all'estremità anteriore dovuti al calo improvviso della temperatura e alla deformazione instabile, il che è un fenomeno normale.

2. Proprietà meccaniche a temperatura ambiente
Attraverso il trattamento di invecchiamento in soluzione solida, il tubo in lega di titanio Ti-B25 mostra un'eccellente corrispondenza resistenza-plasticità, soddisfacendo i severi requisiti dei tubi antenna delle navi. Questo risultato verifica l'accuratezza della simulazione numerica e la razionalità dei parametri di processo.