液壓機與電動螺旋壓力機成形條件下Ti-46531超高強鈦合金復雜鍛件多場演化規律及成形設備優選研究——針對亞穩β鈦合金變形抗力大工藝窗口窄成形難度高的技術痛點，設計一體化典型結構模鍛件完整工藝路線

隨著航空裝備的快速發展，航空金屬材料面臨著輕質高性能、長壽命和高環境適應性等迫切需求。鈦合金作為近幾十年發展的新型輕金屬材料，具有比強度高、韌性好、損傷容限高、耐蝕性好和良好的可焊接等特性，在減輕飛機結構質量、提高結構效率、改善機體可靠性方面發揮了重要作用，已成為先進飛機的主要結構材料之一[1-5]。鈦合金經歷了從中低強度、中強度到高強度的發展歷程，高強韌鈦合金成為國內外航空鈦合金的重要發展趨勢,是先進飛機框梁、起落架部件、接頭連接件等重要承力構件的理想材料。目前,Ti-1023、Ti-15-3、β-C、β-21S、BT22、TC21和Ti-5553等[6-10]具有代表性的高強韌鈦合金已成功獲得廣泛應用。然而，上述高強鈦合金應用于實際航空航天部件時，并未突破1250 MPa的強度水平。

近年來，隨著航空航天工業對輕量化的需求越來越迫切，相關研究單位相繼開展了1300 MPa級以及更高強度級別的超高強鈦合金的研究工作[11-15],以期進一步提高結構效率，在保證安全、可靠的基礎上實現更大程度的減重效果，獲得更高的技術經濟效益。

本文采用的是自主研制的一種新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr系多元強化亞穩β型超高強鈦合金材料Ti-46531,其名義成分(質量分數)為:4%Al、5%Mo、6%V、3%Cr、1%Zr。準確獲取Ti-46531鈦合金的物理參數是進行數值模擬研究的前提，因此，通過試驗測得了該材料不同溫度下的比熱容、導熱系數和線膨脹系數等關鍵參數，如表1所示。從表1中可知，隨著溫度的提高，材料的比熱容變化不大，但導熱系數和線膨脹系數增長明顯。此外，該材料的相轉變點為820℃，室溫密度為4690kg·m-3，泊松比為0.32。

Ti-46531鈦合金是一種新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr系亞穩β型超高強鈦合金，具有超高強度和良好的塑韌性，可實現較好的強韌性匹配。針對這種新型超高強鈦合金，開展了材料塑性變形行為及典型模鍛件鍛造工藝模擬研究，并進行試驗驗證，具有重要的工程化應用價值。

表1 Ti-46531鈦合金的物理性能參數

Table 1 Physical property parameters of Ti-46531 titanium alloy

在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行恒溫、恒應變速率壓縮試驗，通過試驗獲得Ti-46531鈦合金基于溫度、應變速率和變形量的本構模型。β型鈦合金一般在相變點以下20~50℃進行鍛造，應變速率范圍為0.001~1.0s^-1，因此，熱壓縮試驗溫度取為720、750、780、810、840、870和900℃，應變速率取為0.001、0.01、0.1和1.0s^-1。

Ti-46531鈦合金在不同變形條件下測得的真應力-真應變曲線如圖1所示。從圖1中可知，流變應力隨溫度的升高而減小，隨應變速率的升高而增大;應變速率和變形溫度對流變應力影響較大。在同一應變速率條件下，700℃時的流變應力為900℃時的2~3倍;在同一溫度條件下,應變速率為1.0s  ?1時的流動應力為0.001s~1時的3~5倍。Ti-46531鈦合金流動應力對變形溫度、應變速率的高度敏感性增加了鍛件成形難度。

2、鍛造工藝方案

Ti-46531鈦合金典型鍛件結構如圖2所示，鍛件質量為8.0kg，外輪廓尺寸為447mm×117mm×74mm。鍛件呈上下對稱結構，對稱面即為鍛件輪廓最大投影面，因此，選擇對稱面作為鍛件分模面;鍛件左右兩端環形結構外側余量為5mm，中間腹板余量為10.5mm，其余部位余量為8mm;鍛件拔模斜度為7°，中間凹槽凹圓角為20mm、凸圓角半徑為8mm，其他部位凸圓角半徑為5mm。

根據鍛件結構和材料特性，制定的鍛造工藝方案如圖3所示。具體流程為:首先，完成圓形棒料下料，并對坯料兩端進行倒角處理;然后，在錘鍛機上快速制坯，制坯完成后對荒坯進行打磨排傷;最后，在8000t電動螺旋壓力機或者5000t液壓機上一火壓制成形。

3、鍛造模擬與分析

3.1模擬參數設置

電動螺旋壓力機和液壓機常用來成形難變形金屬復雜鍛件,兩種成形設備在成形特性、控制方式和工藝適應性方面各有優劣。為確定Ti-46531鈦合金典型鍛件的最優成形設備,采用廣泛應用于金屬塑性成形領域的數值模擬技術,利用計算機模擬Ti-46531鈦合金典型鍛件在液壓機、電動螺旋壓力機上的成形過程，對比分析鍛件充填性能、應變場和溫度場等各項技術參數,從而確定合適的成形設備。

鍛造模擬參數設置如表2所示。電動螺旋壓力機和液壓機的模擬參數設置基本相同，制坯后坯料進行重新加熱,坯料始鍛溫度為 780℃;模具預熱溫度為350℃,坯料與模具之間的摩擦因數為0.3。液壓機上模下壓速度約為10mm·s^?1，為防止坯料溫度降低過快，坯料一般采用保溫材料包裹，因此坯料與模具的熱交換系數為1N·(s·mm·℃)^-1。電動螺旋壓力機成形時模具與坯料熱交換系數為5N·(s·mm·℃)^-1，其成形速度由能量控制，具體運動參數設置見表3。

表2鍛造模擬參數設置

Table 2 Simulation parameter setting of forging

表3 電動螺旋壓力機運動參數設置

Table 3 Movement parameter setting of electric screw press

3.2模擬結果分析

模鍛件成形過程如圖4所示，圖4a和圖4b分別為液壓機和電動螺旋壓力機下短劍的成形過程。由圖4中可知，坯料在模具中定位準確;隨著上模向下運動，坯料兩端同時與模具接觸，坯料沒有產生剛性移動，成形過程穩定;當上模繼續向下運動，坯料上表面與上模型腔逐漸貼合，鍛件各部分幾乎同時成形，此時飛邊剛剛產生;當上模欠壓2mm時，鍛件充填飽滿、鍛件飛邊較小，材料利用率較高。綜合分析鍛件成形過程可知,鍛件在液壓機和電動螺旋壓力機上的成形過程差異較小。

模鍛完成后鍛件的溫度分布如圖5所示(圖5中直線為截面位置,圖5a和圖5b分別為液壓機和電動螺旋壓力成形時鍛件的溫度分布)。從圖5可知，鍛件飛邊處溫度較高,表面溫度較低,中心溫度變化較小。液壓機成形時，鍛件最低溫度為456℃最高溫度為845℃，電動螺旋壓力機成形時，鍛件最低溫度為 783℃,最高溫度為  1090 °C。對比兩種設備成形時的鍛件溫度分布可以發現，液壓機成形時，鍛件本體溫度由內向外依次降低，鍛件表面溫度降低至732℃以下，鍛件中心溫度升高至796℃以上，鍛件本體溫度主要集中在700~812℃之間，溫度分布層次明顯;電動螺旋壓力機成形時，鍛件溫度不同程度的升高，鍛件本體靠近飛邊處，溫度升高至885℃以上，鍛件本體溫度主要集中在780~840℃之間。整體而言，電動螺旋壓力機上成形時，鍛件本體的溫度分布更加均勻。

模鍛完成后鍛件的等效應變分布如圖6所示(圖6中直線為截面位置)，圖6a和圖6b分別為液壓機和電動螺旋壓力成形時鍛件的等效應變分布。從圖6中可知，液壓機成形時，鍛件的最低等效應變為0.08，最高等效應變為19.900;電動螺旋壓力機成形時，最低等效應變為0.12，最高等效應變為9.070。鍛件飛邊處等效應變較高，表面等效應變較低，中心區域等效應變為0.25~0.5。電動螺旋壓力機成形時，等效應變場分布比液壓機成形時更加均勻。

下模溫度分布如圖7所示，圖7a和圖7b分別為液壓機和電動螺旋壓力成形時的下模溫度分布圖。從圖7中可知，液壓機成形時，下模的最低溫度為349℃、最高溫度為619℃;電動螺旋壓力成形時，下模的最低溫度為349℃、最高溫度為448℃。從模具溫度分布趨勢來看，液壓機成形時，下模型腔溫度均有不同程度的升高，平均升高約150℃;電動螺旋壓力成形時，下模型腔溫度升高幅度不大，僅型腔兩端局部溫度升高約100℃。模具溫度是影響其使用壽命的重要因素之一，過高的模具溫度會導致材料發生回火軟化，加速蠕變變形，從而縮短其使用壽命。因此可以推測，采用電動螺旋壓力機成形時，模具溫度相對較低，有助于延長模具使用壽命。

鍛件的成形載荷如圖8所示，圖8a和圖8b分別為液壓機和電動螺旋壓力成形時鍛件的載荷-時間曲線。由圖8可知，液壓機成形時，整個成形過程持續5.83s，最終成形載荷為4.0x104kN，電動螺旋壓力機成形時，整個成形過程持續0.16s，最大成形載荷為6.1x104kN。電動螺旋壓力機成形時間極短,但成形載荷較液壓機高約50%。

對比Ti-46531鈦合金典型鍛件在液壓機、電動螺旋壓力機上的成形過程可以發現:

(1)鍛件充填過程幾乎相同，最終均能充填飽滿;

(2)電動螺旋壓力機上成形時，鍛件溫度場、等效應變場分布更加均勻;

(3)電動螺旋壓力機上成形時,由于電動螺旋壓力機成形速度較快,模具溫升較低,因此模具使用壽命更長?？紤]到以上因素，選擇8000t電動螺旋壓力機作為Ti-46531鈦合金鍛件的鍛造的試驗設備。

4、試驗結果

典型鍛件在8000t電動螺旋壓力機上進行試驗，試驗結果如圖9所示。由圖9的實物鍛件可知，鍛件充填飽滿，無折疊裂紋產生，證明了模擬結果的有效性。

5、結論

(1)通過試驗獲得了Ti-46531鈦合金的比熱容、導熱系數、線膨脹系數等物理參數，獲得了Ti-46531鈦合金基于溫度、應變速率和變形量的本構模型。

(2)設計了Ti-46531鈦合金典型鍛件及鍛造工藝，借助數值模擬分析技術對比分析了Ti-46531鈦合金典型鍛件在液壓機、電動螺旋壓力機上的成形過程，確定了最優鍛造設備為8000t電動螺旋壓力機。

(3)在8000t電動螺旋壓力機上進行了終鍛試驗，試驗結果符合設計要求，鍛件充填飽滿，無折疊、裂紋等缺陷。

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（注，原文標題：Ti-46531鈦合金及典型鍛件鍛造工藝模擬_劉運璽）