Ti6Al4V钛合金是一种(α+β)型钛合金，具有强度高、密度低、耐腐蚀、生物相容性好等优势特点，是目前应用最为广泛的一种钛合金，占全部钛合金量的50%以上^[1-5]。等通道转角挤压(equa-channel angular pressing，简称ECAP)是一种以纯剪切的方式对材料进行强塑性变形的方法来提升材料的综合性能，现已用于Mg、Al、Ti及其合金和某些金属基复合材料的制备^[6-18]。近年来，世界各国对钛合金的ECAP工艺研究越来越深入，主要集中在变形工艺参数对钛合金ECAP过程和性能的影响^[19-25]。挤压速度作为ECAP的重要变形工艺参数，对挤压过程的变形参数以及变形后材料的性能参数有重要的影响^[26-29]。同时，由于Ti6Al4V钛合金在低温下为α+β的两相合金，变形性能较差，采用ECAP工艺提升材料的综合性能具有一定难度，在工艺实施前，利用计算机仿真模拟探明挤压工艺参数与材料性能特征密切相关的参数间的关联是一种经济有效的方法。张晨等^[30]利用三维有限元模拟软件模拟了Ti6Al4V钛合金恒温750 ℃的ECAP挤压过程，发现挤压速度对应力和温度具有很大的影响；王伟之等^[31]对Ti6Al4V钛合金在试样与模具温度为600 ℃时进行ECAP模拟，发现挤压速度不同，摩擦系数对应力场与温度场的影响不同。关于Ti6Al4V钛合金的模拟研究主要集中在等温的挤压过程，而实际工艺过程中，在较高温度下进行钛合金的ECAP工艺，温度控制难以保证，且受挤压速度值变化的影响波动较大。因此，挤压速度作为ECAP的重要变形工艺参数，对Ti6Al4V钛合金变形过程的应力应变、荷载、温度等参数的影响较大，特别是高温试样在低温模具与压头的挤压下进行变温挤压的工艺，速度值的选择变得复杂，选取规律有待进一步探索。在本研究中我们基于Ti6Al4V钛合金的相转变α→β的温度特征，设定Ti6Al4V合金相初始温度为900 ℃，模具及压头恒定为400 ℃的直角ECAP挤压模型，利用Deform-3D有限元模拟计算Ti6Al4V钛合金样品的ECAP过程，重点探讨在不同挤压速度下荷载、应力应变、温度等参数随挤压行程的演变规律，并进行综合分析，确定最佳挤压速度值，为Ti6Al4V钛合金的ECAP工艺提供参考依据。

1 模拟计算模型与参数设置 1.1 模型建立

模拟前先利用CAD软件建立如图 1所示的等通道转角挤压模型，模具通道直径为ϕ10 mm，转角为90°，1是模具，2是压头，3是挤压试样，试样Ti6Al4V钛合金置于挤压头与等通道转角之间。模型建立好后，以STL格式保存并导入Deform-3D数值模拟软件中进行计算网格的划分和模拟计算。

1.2 计算网格的划分与参数设置

本研究旨在模拟Ti6Al4V合金在等通道转角挤压变形工艺过程中的参数演变。将待模拟的试样设定为塑性材料，模具和压头均设为刚性体，利用Deform-3D软件的网格划分模块将试样划分为28 168个四面体单元，最小网格尺寸为0.3 mm，网格最大与最小比率为3，试样的网格划分如图 1中(b)所示。主要参数设置见表 1。

2 模拟结果及分析 2.1 挤压载荷

挤压载荷是设计挤压实验需要考虑的重要参数。图 2所示为不同挤压速度下荷载随试样行程的变化和荷载峰值随挤压速度的变化。

在等通道挤压过程中，由于试样截面面积等尺寸相对稳定，挤压头压下的过程可视为试样在通道内的行程。从图 2(a)中不同速度下载荷随行程变化趋势可以看出，挤压载荷在挤压过程中波动增加且均存在一个快速增加后的峰值，然后逐渐降低趋于稳定至挤压结束。载荷波动可能由试样与通道表面间的摩擦力的变化引起。在不同挤压速度下，挤压初期荷载增长变化曲线相近；挤压中期为通过转角发生大变形剪切变形区域，载荷的增长趋势存在较明显的差异，在挤压速度不超过1.0 mm/s时，即0.1、0.5、1.0 mm/s的挤压载荷变化趋势和数值当，峰值为110 kN左右；而当挤压速度增加到3.0、5.0 mm/s时的大变形剪切变形区域，需要的挤压荷载和峰值明显降低，如图 2(b)所示。表明了增大挤压速度有助于降低挤压所需的荷载，合适的挤压速度和荷载需结合与试样的组织结构和力学性能相关的其它参数进一步研究确定。

2.2 试样等效应变

等效应变值的大小及分布的均匀性影响挤压后试样的综合性能，主要表现为内部的显微组织以及晶粒细化的均匀性。为了解不同挤压速度对等效应变的影响状况，采用挤压后试样的等效应变分布云图和试样内部的特征点追踪的方式来分析等效应变。图 3为特征点挤压前后的位置以及在不同速度下等效应变随行程变化的曲线，图中P₁为外侧质点，P₂为中心质点，P₃为内侧质点。图 4是等效应变分布云图。

从图 3可以看出，在0.1~5.0 mm/s的不同挤压速度下，追踪特征点的等效应变在挤压进程中的变化趋势相近，试样通过90°转角后，内侧点累积的等效应变值远大于外侧点。由图 4所示等效应变的分布云图可见，等效应变由90°转角后的下表面向上表面分层递增，在上表面区域试样的中间段累积应变较大，等效应变分布不均。表 2为内侧质点对应不同挤压速度的最大等效应变值，在速度为1.0 mm/s时等效应变值存在波动，分析其原因是由于挤压过程中摩擦力不断变化，造成变形参数的波动，而速度增长梯度较大时，等效应变值掩盖了这种波动显示。比较不同速度下的内侧质点的最大等效应变值，发现等效应变最大最小值相差0.23，表明挤压速度过大不利于等效应变的累积。

2.3 试样等效应力

对于塑韧性较差的材料，应力集中或者应力过大，在变形过程中都容易发生断裂，一般通过提高合金材料的温度来提升其变形性能。分析等通道挤压过程中挤压速度对等效应力大小及分布的影响规律，有助于根据实际情况选取合适的挤压速度。点追踪选取质点的挤压前后位置如图 5所示，初始位置为试样竖直中心线上的四等分点，P₄为下侧点，P₅为中心点，P₆为上侧点；图 6是等效应力分布云图。

从图 6可以看出，在不同的挤压速度下等效应力分布具有相似的特征，等效应力均集中在挤压通道的转角处，在试样表面显示的等效应力从左往右逐渐减小，且因通道内外侧试样的内部流速差异造成试样末端弯曲段的左侧发生小节突变。挤压完成时，质点P₆正好位于通道转角处，P₄、P₅质点已先后通过转角(如图 5所示)。表 3为各质点最终位置对应的等效应力值，比较不同挤压速度下的等效应力值可见，同一挤压过程中，通道转角处质点P₆的等效应力值最大，质点P₄的等效应力值最小；在挤压速度为0.5 mm/s时，质点P₄、P₅的等效应力值为0，分析其原因是低速阶段(0.1~0.5 mm/s)，速度小幅增大，应力主要集中在转角处，试样表面受摩擦因素的变化，变形参数波动较大；从整个速度增长梯度(0.1~5.0 mm/s)来看，挤压速度越大，等效应力值越小，点追踪结果与等效应力分布云图相对应。结果表明，增大挤压速度可以减少应力集中或应力过大现象，为塑性、韧性较低的材料进行塑性变形选取合适的挤压速度提供参考。

2.4 试样温度

金属合金进行热变形过程，高温高压下停留时间过长时，易发生晶粒长大回复的现象，挤压温度及分布状况与挤压速度息息相关。图 7为追踪点P₄、P₅、P₆在不同下压速度下温度随行程的变化；图 8为温度分布云图。

图 8中显示，在挤压速度为0.1、0.5 mm/s时，通道转角处温度最高，分析原因是通道转角的剧烈剪切变形使试样的温度升高；压头下压速度为1.0、3.0、5.0 mm/s时，高温区域右移，随速度增大，高温区逐渐集中在试样右端末梢，与图 7中的结果相对应，即挤压速度越大，质点的温度越高，且在同一速度下，先通过转角挤压的质点温度更高，降温速率减小。表明挤压速度越高，变形所需时间越短，变形温度越高，挤压变形后试样的降温速率越小。

2.5 剪切变形

纯剪切变形作为等通道转角挤压进行晶粒细化的核心，主要是利用试样通过转角的剪切变形积累大量的塑性应变，改变材料内部的显微组织与细化晶粒，提高材料的综合力学性能。因此，分析不同速度下的剪切变形对变形参数的影响显得尤为必要。图 9为点追踪的特征位置图。

温度是一般材料性能的重要影响因素，随着温度增加，塑形韧性降低，变形抗力减小。图 10的结果显示在相同的下压距离，随着挤压速度增大，温度趋近线性增大，等效应变降低幅度趋近于0.1，等效应力值的变化趋势为先增大后减小。增大的原因是挤压速度较小时，挤压过程的试样温度接近，材料的变形特性相差不大；挤压速度大时其等效应力值大，在挤压速度超过1 mm/s后，挤压速度每增长1 mm/s，温度相差约40 ℃，温度差过大，而随着温度增大，材料的变形性能提升，等效应力值降低，挤压的瞬时荷载总体上呈下降趋势。因此，在与本研究模拟条件相同的Ti6Al4V钛合金的ECAP实际工艺中，为减小工艺的荷载要求，提升挤压过程试样温度，减少应力集中与应力过大现象，挤压速度的值选定为5 mm/s，而因提升挤压速度造成的单道次等效应变值的降低可在多道次挤压的累积下弥补。

3 结论

1) 挤压速度作为重要的ECAP工艺参数，对挤压过程荷载、试样的应力应变、温度均有不同程度的影响。

2) 在相同的挤压速度下，试样通过转角后的温度降低速率减小，变形温度提升有利于ECAP工艺的进行，试样温度与环境温度相差较大时，可提升挤压速度来降低挤压过程所需的荷载；同时挤压过程的等效应力降低，应力集中现象减少，减少了挤压试样断裂的情况发生；应变累积随挤压速度增大而减少，而实际工艺中因提升挤压速度造成的单道次等效应变值的降低可在多道次挤压的累积下弥补。

3) 本研究条件下，Ti6Al4V钛合金的ECAP工艺合理的挤压速度值为5 mm/s。

致谢

感谢重庆国立元创生物科技有限公司及中国科协院士专家工作站(编号5003095)项目“ECAP工艺建立及钛合金杆材纳米化加工条件探索”的支持，参加本项目实验工作的还有路光明、朱建坤、段兴骏、邓子航等同学，特此感谢。