近α型TA15鈦合金殼體熱擠壓成形質量提升機制研究——結合試驗與有限元模擬，解析相變溫度下坯料表面與中心溫差異常導致的黏結裂紋缺陷，通過模具預熱玻璃潤滑劑應用及參數優化，實現成形性能改善

1、序言

鈦合金具有高比強度、高熱強度、密度小以及耐蝕性好等優點，被廣泛應用于航空航天、石油化工和生物醫學等領域[1?3]。TA15作為一種高鋁含量近a型鈦合金，展現出優異的抗蠕變性能和良好的耐蝕性，使其能夠長期工作的最高使用溫度可達500~550℃[4,5]，因此被廣泛應用于發動機箱體、承力隔框、氣道柵格罩和中央機翼下壁等，確保飛行器上的重要結構件能在高溫、承力復雜的環境下長期服役[6]。

TA15鈦合金的相變溫度為985~995℃，當處于相變溫度以下時，鈦合金的結構為密排六方晶格(α-Ti)，其強度高、塑性差;當處于相變溫度以上時，其結構變為體心立方晶格(β-Ti)，耐熱性較差，但工藝塑性較好[7, 8]。相變溫度的存在加大了TA15鈦合金殼體熱擠壓成形的難度。

在熱擠壓過程中，TA15鈦合金的變形機制及組織演化均很復雜[9]。坯料表面與模具進行熱交換導致表面溫度降低，坯料內部持續的變形使溫度升高，坯料表面和內部會產生溫度差。不均勻的溫度分布使坯料的變形抗力產生明顯梯度，最終導致在擠壓過程中組織和性能的不均勻。在宏觀上表現為工件上會出現裂紋、形變等缺陷。

本文通過數值模擬與試驗相結合的方法，改進TA15鈦合金殼體熱擠壓試驗工藝參數，提高熱擠壓模具內表面的初始溫度;使用傳熱系數低的玻璃潤滑劑，殼體薄壁處溫度差減小，避免了開裂缺陷。

2、熱擠壓工藝試驗與有限元分析

2.1熱擠壓試驗

試驗材料為87mm×68mm×155mm的長方體TA15鈦合金鑄態坯料，其化學成分見表1。熱擠壓模具由上模、下模墊塊和下模組成，如圖1a所示。擠壓時上模下壓，可將坯料擠壓成外部邊緣為方形、內部空腔為圓形的薄壁長方體部件。試驗件制備過程為:首先將馬弗爐溫預熱至980℃，后將坯料放入爐內加熱1h。擠壓前30min階段將加熱絲放入模腔內加熱模具，將模具加熱至300℃左右后，再將坯料從爐中取出放入模腔內，采用液壓機擠壓至合模，保持2s后取出部件。經檢查發現整個試驗品產生了嚴重的魚鱗龜裂紋與形變，如圖1b所示。

表1 TA15鈦合金化學成分(質量分數)(%)

2.2有限元參數設置

由于熱擠壓試驗件存在嚴重缺陷，因此需要通過分析鈦合金相變規律，基于有限元分析缺陷產生的原因，得到優化參數，從而指導后續試驗開展，提高工件質量。

有限元設置需要考慮參數設置，擠壓過程中坯料與相對較冷的模具相互接觸，兩者之間溫差大，熱交換速度快,存在一定的激冷效應,使坯料溫度迅速降低。坯料表面還會以熱輻射的方式向環境中傳遞熱量。熱傳導對坯料溫度的影響遠大于熱輻射[10]，因此模擬過程中只考慮坯料與模具之間的熱交換。

在3D建模軟件SolidWorks中對鍛模和坯料進行建模,導入有限元軟件Deform進行擠壓模擬,其中Deform擠壓模擬參數設置見表2。鍛模設置為剛體，上模和下模形狀規則，網格劃分少;下模墊塊內壁形狀復雜，壁面多圓角，網格尺寸小，能與坯料更好貼合，保證計算穩定性;坯料為塑性體，整個擠壓過程變形大，四面體網格數量為250000，最小網格長度為0.8mm。

表2 Deform擠壓模擬參數設置

2.3 TA15鈦合金殼體擠壓開裂有限元分析

(1)溫度分析熱擠壓過程中工件開裂主要發生在擠壓處與擠壓后工件薄壁處，在擠壓處選取P1、P2、P3共3個點進行溫度追蹤分析并導出溫度變化曲線，如圖2所示。坯料與墊塊接觸處溫降為360℃，坯料與下模接觸處溫降為300℃。坯料中心區域受擠壓熱影響，在擠壓過程中溫度持續升高，最高接近1000℃，此時坯料中心區域與坯料表面溫度差最大為400℃。坯料持續受到擠壓，坯料與下模接觸處逐漸升溫，但持續的熱交換使此處溫度仍大幅低于坯料中心區域溫度。由于鈦合金的導熱性差，坯料表面溫度下降大，因此使坯料表面的溫度遠低于TA15鈦合金的最低相變溫度985℃。坯料與模具接觸的表面與其內部的溫度差大，材料流動受阻，容易與模具發生黏結，附加拉應力使成形工件產生裂紋。分析工件薄壁處溫度分布(見圖3)，薄壁處表面與內部溫度差達到了150℃。在熱擠壓過程中，坯料各處較大的溫度變化會影響工件的最后成形質量，造成裂紋、褶皺等缺陷。

(2)材料流速分析選取工件橫截面外側到內側20個均布點分析材料變形速度的變化，如圖4所示。在擠壓過程中，坯料的內外表面與模具接觸，致使表面溫度較坯料中心區域更低。溫度的降低會影響材料的流動速度。在擠壓過程中，擠壓處薄壁中心區域材料流速可達到32mm/s以上，表面溫度較低處材料流速僅為4mm/s,材料流速差導致擠壓時變形不均勻，產生變形抗力梯度，出現材料分層，使工件結構強度降低，最終導致工件產生微小裂紋。

(3)等效應力分析在熱擠壓過程中，坯料受到沖頭和模具的作用，處于三向壓應力狀態。等效應力最大值出現在坯料與下模接觸處和坯料與上模接觸棱角處，如圖5所示。該處的坯料與模具不斷進行熱交換，溫度降低快，導致變形抗力增加，成形難度變大，棱角處受到的等效應力可達998MPa，超過TA15鈦合金的屈服強度855MPa。持續高于屈服強度的應力會增加材料內部缺陷，最終可能導致裂紋甚至斷裂，且過大的應力會在材料內部留下較大的殘余應力，從而影響產品的使用壽命和性能。

3工藝優化模擬

由上述分析可知，坯料表面溫度與中心溫度差過大是成形質量差的主要原因。為了優化擠壓工藝，采用預熱態擠壓工藝，在擠壓前用工藝料對模具進行兩次預熱，使模具與坯料溫差減小，熱量交換減弱。加入傳熱系數低的玻璃防護潤滑劑，減少熱量交換，同時降低了摩擦因數。優化模擬參數設置見表3。

表3優化模擬參數設置

在模擬一次擠壓工藝料后，模具溫度略有提升，連續兩次擠壓工藝料后，可以發現模具的溫度已經顯著提高。擠壓工藝件模具預熱情況如圖6所示。

3.1改進后溫度分析

保留模具溫度，并涂抹傳熱系數低的玻璃潤滑劑進行擠壓。降低內外邊界熱導率，傳熱系數調整至4500W/(m2.K)，減小摩擦因數，其余參數不變。改進后擠壓過程中擠壓處溫度變化如圖7所示。從圖7可看出，坯料與模具接觸處熱交換導致溫度降低，此時溫度低于改進前的擠壓模擬溫度，擠壓處兩側與中心溫度差得到改善。工件最大溫度差控制在200℃以內。改進后擠壓薄壁處溫度差如圖8所示。從圖8可看出，工件薄壁處的溫度差縮小到100℃，溫度差減小，有助于提高工件成形質量。

3.2改進后材料流速分析

對改進后的材料流動速度進行分析。從部件橫截面外側到內側隨機選擇3個點，其薄壁處材料流速變化如圖9所示。由圖9可知，擠壓處不同位置的材料流速差距較小，且隨著擠壓不斷進行，材料流速仍穩定在30mm/s左右。穩定的流速降低了材料的變形抗力梯度。

3.3改進后等效應力分析

等效應力分布如圖10所示。從圖10a可看出，未添加潤滑時,坯料擠壓到凹模墊塊定徑帶形狀變化大，坯料等效應力比潤滑條件下更大，在棱角處等效應力超過400MPa，不利于擠壓獲得良好成形質量。

從圖10b可看出，改進后的等效應力出現在坯料與下模接觸處和坯料與上模接觸棱角處，在擠壓過程中，坯料表面溫降小，整體溫度較為均勻，棱角處的等效應力在整個坯料中最大，不超過400MPa，遠低于TA15鈦合金屈服強度(855MPa)，能夠有效降低出現表面裂紋與部件內部出現缺陷的可能性。

3.4不同擠壓速度分析

由于TA15鈦合金高溫成形存在相變，因此若溫度控制不當，則對擠壓成形質量有很大影響[11]。不同擠壓速度下成形件溫度對比如圖11所示。從圖11可看出，當擠壓速度為10mm/s時，成形件薄壁處溫度降至800℃以下;底面降溫更大，溫度為520℃。此時鈦合金坯料的塑性很差，不適合繼續擠壓。試驗擠壓速度為30mm/s時，成形件薄壁處溫度維持在920℃，整個壁面四周溫度均勻、溫降少。底面只有外表面接觸部分降溫至590℃，內里降溫小，仍然具有較好的成形性能。

4、試驗驗證

參考有限元優化方式，對試驗方法進行改進。擠壓前對模腔進行預熱，作為模具預熱擠壓的工藝料出現裂紋，成形質量不佳，表明成形溫度低無法擠壓得到符合要求的部件。將機油與石墨混合而成的潤滑劑涂抹在模腔表面。在坯料表面均勻地涂抹由玻璃粉和碎鋸末組成的潤滑劑。擠壓成形后進行脫模，得到的工件形貌如圖12所示。由圖12可知，工件內外表面成形質量良好，個別位置有少量劃傷;工件頭部部分方角處存在少量裂紋，經無損檢測后發現多為表面裂紋，不影響零件整體的結構強度。對工件進行機械加工后未發現明顯裂紋，滿足工件使用要求。

5、結束語

1)改進后的試驗中通過多次擠壓工藝料提高了模具的初始溫度，改善了由于TA15鈦合金熱導率低導致的熱擠壓過程中坯料表面與中心溫度差過大的問題，將其溫度差控制在200℃以內。擠壓過程中坯料表面溫度接近相變溫度，材料塑性提高，流動均勻性改善，變形抗力減小，殼體表面裂紋問題得到解決。

2)熱擠壓中使用的玻璃潤滑劑減小了模具與坯料之間的摩擦因數，還降低了兩者間的傳熱系數。改進工藝后坯料在熱擠壓過程中的等效應力不超過400MPa，成形薄壁處材料的流動速度更均勻。依據數值模擬改進試驗工藝參數，得到的殼體表面質量好、無裂紋。

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（注，原文標題：TA15鈦合金殼體擠壓開裂產生機理及工藝優化_王騰）