TA15鈦合金鍛件模鍛成形工藝研究

TA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-lMo-lV,屬于高A1當(dāng)量的近α型鈦合金。該合金既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有接近于α+β型鈦合金的工藝塑性，是一種綜合性能優(yōu)良的鈦合金[1],被廣泛用于制造高性能飛機(jī)的重要構(gòu)件。

對(duì)金屬熱加工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以為合理制定鍛造工藝提供具有科學(xué)和實(shí)際的指導(dǎo)意義。本文研究了坯料尺寸、坯料轉(zhuǎn)移時(shí)間等對(duì)TA15鈦合金模鍛成形過程的影響，對(duì)制定合理的TA15鈦合金模鍛工藝提供借鑒。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)坯料為小52mmTA15鈦合金棒材，合金(3相變點(diǎn)為(995±5)°C，實(shí)測(cè)化學(xué)成分見表1。

沿棒材縱向取樣檢測(cè)力學(xué)性能(均值）如表2所示。

1.2試驗(yàn)方法

本文研究的TA15鈦合金鍛件和模具如圖1所示，鍛件長(zhǎng)90mm，兩端圓柱直徑分別為小50mm、(H2mm，鍛件沿分模面投影面積為4091mm²,鍛件體積為98042mm³,質(zhì)量為436g。

根據(jù)坯料填充模具飛邊倉(cāng)部的50%、60%、70%[2]來設(shè)計(jì)坯料體積,3種體積下的不同坯料尺寸按鍛件最大輪廓尺寸φ50mmx90mm進(jìn)行等長(zhǎng)度小φ90mm和等直徑φ50mmxL設(shè)計(jì)，另外再適當(dāng)增加直徑至φ52mm進(jìn)行等直徑φ52mmxL設(shè)計(jì),9種模擬坯料尺寸如表3所示。

數(shù)值模擬主要參數(shù)為：①變形材料TA15鈦合金p]，密度4.45g/cm3，泊松比0.39，彈性模量89GPa,比熱容922J/(kg-K),熱導(dǎo)率19.7W/(m.K);②變形體與周圍空氣間換熱系數(shù)[41為16.5W/(m2.K),與模具接觸面間換熱系數(shù)為1450W/(m.K);③坯料加熱溫度955°C,環(huán)境溫度20°C;④模具預(yù)熱溫度200°C,上模運(yùn)動(dòng)速度10mm/s;⑤坯料放置要求棒材中心軸與分模面平行。

鍛件的模鍛成形過程模擬根據(jù)實(shí)際鍛造情況可以分解為以下三個(gè)階段15]:①坯料轉(zhuǎn)移過程模擬屬熱傳導(dǎo)模擬，鍛件坯料的轉(zhuǎn)移過程，即坯料出爐后到放置在下模上之間有10s的轉(zhuǎn)移時(shí)間，該過程中坯料和模具僅與外界環(huán)境發(fā)生熱傳導(dǎo)。②閉模過程模擬屬熱傳導(dǎo)模擬，上下模閉模過程，即上模運(yùn)動(dòng)至與坯料接觸之間有2s的時(shí)間間隔。這段時(shí)間內(nèi)坯料不但與外界空氣環(huán)境發(fā)生熱傳導(dǎo)，而且也與下模發(fā)生熱傳導(dǎo)。③成形過程模擬屬變形-傳熱耦合過程模擬，鍛件坯料的鍛造成形過程不僅發(fā)生坯料與空氣、坯料與模具、模具與空氣之間的熱傳導(dǎo)，而且還發(fā)生坯料自身的變形。

坯料和模具劃分網(wǎng)格后如圖2所示。

2、試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1.1坯料轉(zhuǎn)移過程模擬

9種坯料轉(zhuǎn)移后溫度變化對(duì)比如圖3所示，S2坯料與模具各部位溫度分布如圖4所示。轉(zhuǎn)移10s后坯料和模具溫度降低，坯料溫度的降低由中心向高，越有利于鈦鍛件鍛造成形。

2.1.3成形過程模擬

9種坯料模擬至坯料完全充滿模具模膛時(shí)的溫度變化對(duì)比如圖7所示。鍛件完全充滿模膛時(shí)，由于合金變形熱效應(yīng)造成鍛件最高溫度上升，比閉模時(shí)的最高溫度上升了15?21°C。

S9鍛件與下模的溫度分布如圖8所示。下模和外部增大，兩端倒角處溫降最大，降至888°C;模具棱邊處溫降較心部大，頂點(diǎn)處溫降最大，降至193°C。從圖3還可以看出，當(dāng)坯料長(zhǎng)度為90mm(S1、S4、S7)時(shí)，坯料溫度降低最多，其原因在于此尺寸坯料長(zhǎng)度最長(zhǎng)，表面積較大，導(dǎo)致散熱較多。

2.1.2閉模過程模擬

9種坯料閉模后溫度變化對(duì)比如圖5所示，坯料與模具各部位溫度分布如圖6所示。坯料在下模上放置2s后，坯料溫度進(jìn)一步降低，并且坯料長(zhǎng)度為90mm的3種坯料規(guī)格溫度降低較多。模具溫度也進(jìn)一步降低，但下模因與鍛件坯料有接觸，故其接觸點(diǎn)部位及附近溫度反而升高。由圖6還可以看出，坯料在經(jīng)過12s的傳熱后，即在坯料變形開始之前，坯料表面倒角處的最低溫度已經(jīng)下降到881T：，相比坯料的出爐溫度955°C,鍛件坯料最大溫降達(dá)74°C,平均溫降達(dá)6.2°C/s。相比其它材料的鍛造，鈦合金的鍛造溫度范圍相對(duì)較窄，因此，以上數(shù)據(jù)充分說明了坯料出爐轉(zhuǎn)移和閉模時(shí)間的重要性：轉(zhuǎn)移、閉模時(shí)間越短，坯料溫度降低越少，相應(yīng)坯料溫度越 鍛件的溫度分布具有一定的對(duì)應(yīng)性，即鍛件溫度高的地方，模具與之接觸的地方溫度也高。模具溫度最高部位達(dá)692°C，幾乎所有的棱邊溫度均在500°C以上，這對(duì)模具材料本身性能提出了較高的要求。

9種鍛件完全填充時(shí)模間距（上模和下模間隙距離）和上模z向載荷的對(duì)比關(guān)系如圖9所示。二者總體上呈反比關(guān)系，即模間距越大，z向載荷越小， 模間距越小向載荷越大。

一般地，鍛件完全充滿模膛時(shí)的z向載荷大小可以表征鍛件的成形性好壞，即z向載荷越小，鍛件的成形性越好。圖9中，當(dāng)鍛件體積分別為50%、60%、70%時(shí)，S2、S5、S9號(hào)鍛件的z向載荷最小，模間距最大，這3種鍛件的成形性能最好。

S2、S5、S9三種鍛件相比，S9鍛件完全填充時(shí)的z向載荷最小，而且模間距最大，具有最優(yōu)的成形性。另外，由圖7可見，S9鍛件最高溫度在9種鍛件中最低，表明變形熱效應(yīng)最弱，S9鍛件最低溫度在

9種鍛件中最高，散熱最少。以上均說明S9鍛件具有最優(yōu)的成形性，可見，坯料直徑適當(dāng)大于鍛件直徑有利于模鍛成形。

S9鍛件不同模擬步數(shù)時(shí)的填充情況如圖10所示。該鍛件最難填充的部位在少50_圓柱內(nèi)側(cè)，而下模凸臺(tái)底部部位次之，如圖10(a)、(b)、（c)中箭頭所指位置所示。

2.2鍛件成形性分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用S9坯料進(jìn)行了實(shí)際鍛造試驗(yàn)，鍛造工藝過程為：①備料，坯料下料尺寸<f>52mm×75.2mm，兩端倒/?3mm圓角；②鍛前準(zhǔn)備，模具預(yù)熱溫度200°C,坯料表面涂覆玻璃潤(rùn)滑劑；③加熱，電爐加熱，加熱坯料到955°C后保溫40min;④鍛造，坯料從爐中轉(zhuǎn)移至模具時(shí)間≤10s,模具合模時(shí)間≤2s,變形壓下量為上模壓至模間距2mm處;⑤鍛后處理，鍛后切除飛邊，然后空冷。

鍛后鍛件的填充性與表面質(zhì)量?jī)?yōu)良。實(shí)際鍛造飛邊與數(shù)值模擬飛邊對(duì)比如圖11所示，二者外觀輪廓形狀一致，表明模擬的金屬流動(dòng)與實(shí)際鍛造過程中金屬的流動(dòng)情況一致，充分說明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

2.3鍛件組織、性能分析

將鍛件按下述工藝制度進(jìn)行真空熱處理，之后進(jìn)行組織、性能分析：①熱處理前準(zhǔn)備，鍛件裝爐前清理表面氧化皮；②加熱，真空爐加熱，鍛件室溫裝爐，隨爐升溫，到溫780°C后保溫1.5h;③冷卻：氬氣冷卻鍛件至100°C以下溫度出爐。

2.3.1鍛件組織分析

將退火熱處理后的實(shí)物鍛件從中心沿高度方向U向）剖開，得到的低倍組織如圖12(a)所示，坯料原始棒材低倍組織如圖12(b)所示。從圖12(a)來看，鍛件內(nèi)部組織比較均勻，有一定的規(guī)律性，即：鍛件的中心部位晶粒較粗大，為清晰晶，邊緣部位晶粒較細(xì)小，為模糊晶。A點(diǎn)區(qū)域?qū)儆谇逦^(qū)，晶粒度級(jí)別為4.5級(jí)，高倍組織如圖13(a)所示。邊部B點(diǎn)區(qū)域晶粒度級(jí)別為7級(jí)，為模糊晶區(qū)，高倍組織如圖13(b)所示。C點(diǎn)區(qū)域晶粒度級(jí)別為5級(jí)，仍屬清晰晶區(qū)，高倍組織如圖13(c)所示。

圖12(a)中“B”點(diǎn)區(qū)域存在一“<”型區(qū)域，如圖中箭頭所指，此處晶粒細(xì)小，顯示出了明顯的金屬流動(dòng)方向，表明金屬?gòu)腻懠虚g部位流向</>50mm的圓端部。圖12(b)中，TA15合金原始棒材晶粒度為9.0級(jí)，為等軸模糊晶，與圖12(a)中鍛件晶粒相比，原始棒材晶粒明顯細(xì)小，說明鍛件在多火次高溫鍛造、切邊、退火熱處理后晶粒有所長(zhǎng)大。

由圖13可見，TA15合金鍛件內(nèi)部“A”、“B”、“C”三點(diǎn)高倍組織特征差別不大，均為拉長(zhǎng)的初生α相+層片狀α相+β相。拉長(zhǎng)的初生α相的形成主要與合金鍛造變形有關(guān)，即初生α相的拉長(zhǎng)方向?yàn)楹辖鸬牧鲃?dòng)方向。

2.3.2鍛件力學(xué)性能分析

沿鍛件圓柱中心軸的方向在鍛件心部取樣，鍛件力學(xué)性能(均值）如表4所示。由表4可見,鍛件具有較好的綜合力學(xué)性能，相比于表2中的棒材坯料，鍛件強(qiáng)度、硬度略降，沖擊功明顯提高，與多火次鍛造之后晶粒增大有關(guān)。

3、結(jié)論

(1)TA15鈦合金坯料規(guī)格對(duì)模鍛成形過程影響較大，坯料直徑方向規(guī)格適當(dāng)大于鍛件規(guī)格有利于實(shí)際模鍛成形。

(2)坯料出爐轉(zhuǎn)移和閉模時(shí)間對(duì)模鍛成形影響較大：轉(zhuǎn)移、閉模時(shí)間越短，坯料溫度降低越少，相應(yīng)坯料溫度越高，越有利于鍛件鍛造成形。

(3)完全填充時(shí)，模間距和上模2向載荷在總體上呈反比關(guān)系，即模間距越大，z向載荷越小，模間距越小^向載荷越大。

(4)實(shí)際模鍛成形情況與數(shù)值模擬結(jié)果一致，最終鍛件具有較好的綜合力學(xué)性能，與棒材坯料相比，鍛件強(qiáng)度、硬度略降，沖擊功明顯提高。

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