液壓機(jī)與電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形條件下Ti-46531超高強(qiáng)鈦合金復(fù)雜鍛件多場(chǎng)演化規(guī)律及成形設(shè)備優(yōu)選研究——針對(duì)亞穩(wěn)β鈦合金變形抗力大工藝窗口窄成形難度高的技術(shù)痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)一體化典型結(jié)構(gòu)模鍛件完整工藝路線

隨著航空裝備的快速發(fā)展，航空金屬材料面臨著輕質(zhì)高性能、長(zhǎng)壽命和高環(huán)境適應(yīng)性等迫切需求。鈦合金作為近幾十年發(fā)展的新型輕金屬材料，具有比強(qiáng)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(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)效率、改善機(jī)體可靠性方面發(fā)揮了重要作用，已成為先進(jìn)飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一[1-5]。鈦合金經(jīng)歷了從中低強(qiáng)度、中強(qiáng)度到高強(qiáng)度的發(fā)展歷程，高強(qiáng)韌鈦合金成為國(guó)內(nèi)外航空鈦合金的重要發(fā)展趨勢(shì),是先進(jìn)飛機(jī)框梁、起落架部件、接頭連接件等重要承力構(gòu)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(qiáng)韌鈦合金已成功獲得廣泛應(yīng)用。然而，上述高強(qiáng)鈦合金應(yīng)用于實(shí)際航空航天部件時(shí)，并未突破1250 MPa的強(qiáng)度水平。

近年來(lái)，隨著航空航天工業(yè)對(duì)輕量化的需求越來(lái)越迫切，相關(guān)研究單位相繼開(kāi)展了1300 MPa級(jí)以及更高強(qiáng)度級(jí)別的超高強(qiáng)鈦合金的研究工作[11-15],以期進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)效率，在保證安全、可靠的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更大程度的減重效果，獲得更高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(qiáng)化亞穩(wěn)β型超高強(qiáng)鈦合金材料Ti-46531,其名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:4%Al、5%Mo、6%V、3%Cr、1%Zr。準(zhǔn)確獲取Ti-46531鈦合金的物理參數(shù)是進(jìn)行數(shù)值模擬研究的前提，因此，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得了該材料不同溫度下的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)增長(zhǎng)明顯。此外，該材料的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)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(wěn)β型超高強(qiáng)鈦合金，具有超高強(qiáng)度和良好的塑韌性，可實(shí)現(xiàn)較好的強(qiáng)韌性匹配。針對(duì)這種新型超高強(qiáng)鈦合金，開(kāi)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(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，具有重要的工程化應(yīng)用價(jià)值。

表1 Ti-46531鈦合金的物理性能參數(shù)

Table 1 Physical property parameters of Ti-46531 titanium alloy

在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行恒溫、恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲得Ti-46531鈦合金基于溫度、應(yīng)變速率和變形量的本構(gòu)模型。β型鈦合金一般在相變點(diǎn)以下20~50℃進(jìn)行鍛造，應(yīng)變速率范圍為0.001~1.0s^-1，因此，熱壓縮試驗(yàn)溫度取為720、750、780、810、840、870和900℃，應(yīng)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(cè)得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖1中可知，流變應(yīng)力隨溫度的升高而減小，隨應(yīng)變速率的升高而增大;應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)流變應(yīng)力影響較大。在同一應(yīng)變速率條件下，700℃時(shí)的流變應(yīng)力為900℃時(shí)的2~3倍;在同一溫度條件下,應(yīng)變速率為1.0s  ?1時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力為0.001s~1時(shí)的3~5倍。Ti-46531鈦合金流動(dòng)應(yīng)力對(duì)變形溫度、應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖2所示，鍛件質(zhì)量為8.0kg，外輪廓尺寸為447mm×117mm×74mm。鍛件呈上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱面即為鍛件輪廓最大投影面，因此，選擇對(duì)稱面作為鍛件分模面;鍛件左右兩端環(huán)形結(jié)構(gòu)外側(cè)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(jù)鍛件結(jié)構(gòu)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(duì)坯料兩端進(jìn)行倒角處理;然后，在錘鍛機(jī)上快速制坯，制坯完成后對(duì)荒坯進(jìn)行打磨排傷;最后，在8000t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)或者5000t液壓機(jī)上一火壓制成形。

3、鍛造模擬與分析

3.1模擬參數(shù)設(shè)置

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和液壓機(jī)常用來(lái)成形難變形金屬?gòu)?fù)雜鍛件,兩種成形設(shè)備在成形特性、控制方式和工藝適應(yīng)性方面各有優(yōu)劣。為確定Ti-46531鈦合金典型鍛件的最優(yōu)成形設(shè)備,采用廣泛應(yīng)用于金屬塑性成形領(lǐng)域的數(shù)值模擬技術(shù),利用計(jì)算機(jī)模擬Ti-46531鈦合金典型鍛件在液壓機(jī)、電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上的成形過(guò)程，對(duì)比分析鍛件充填性能、應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),從而確定合適的成形設(shè)備。

鍛造模擬參數(shù)設(shè)置如表2所示。電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和液壓機(jī)的模擬參數(shù)設(shè)置基本相同，制坯后坯料進(jìn)行重新加熱,坯料始鍛溫度為 780℃;模具預(yù)熱溫度為350℃,坯料與模具之間的摩擦因數(shù)為0.3。液壓機(jī)上模下壓速度約為10mm·s^?1，為防止坯料溫度降低過(guò)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(shù)為1N·(s·mm·℃)^-1。電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形時(shí)模具與坯料熱交換系數(shù)為5N·(s·mm·℃)^-1，其成形速度由能量控制，具體運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表2鍛造模擬參數(shù)設(shè)置

Table 2 Simulation parameter setting of forging

表3 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

Table 3 Movement parameter setting of electric screw press

3.2模擬結(jié)果分析

模鍛件成形過(guò)程如圖4所示，圖4a和圖4b分別為液壓機(jī)和電動(dòng)螺旋壓力機(jī)下短劍的成形過(guò)程。由圖4中可知，坯料在模具中定位準(zhǔn)確;隨著上模向下運(yùn)動(dòng)，坯料兩端同時(shí)與模具接觸，坯料沒(méi)有產(chǎn)生剛性移動(dòng)，成形過(guò)程穩(wěn)定;當(dāng)上模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，坯料上表面與上模型腔逐漸貼合，鍛件各部分幾乎同時(shí)成形，此時(shí)飛邊剛剛產(chǎn)生;當(dāng)上模欠壓2mm時(shí)，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(guò)程可知,鍛件在液壓機(jī)和電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上的成形過(guò)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(jī)和電動(dòng)螺旋壓力成形時(shí)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(jī)成形時(shí)，鍛件最低溫度為456℃最高溫度為845℃，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形時(shí)，鍛件最低溫度為 783℃,最高溫度為  1090 °C。對(duì)比兩種設(shè)備成形時(shí)的鍛件溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，液壓機(jī)成形時(shí)，鍛件本體溫度由內(nèi)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(dòng)螺旋壓力機(jī)成形時(shí)，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(dòng)螺旋壓力機(jī)上成形時(shí)，鍛件本體的溫度分布更加均勻。

模鍛完成后鍛件的等效應(yīng)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(jī)和電動(dòng)螺旋壓力成形時(shí)鍛件的等效應(yīng)變分布。從圖6中可知，液壓機(jī)成形時(shí)，鍛件的最低等效應(yīng)變?yōu)?.08，最高等效應(yīng)變?yōu)?9.900;電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形時(shí)，最低等效應(yīng)變?yōu)?.12，最高等效應(yīng)變?yōu)?.070。鍛件飛邊處等效應(yīng)變較高，表面等效應(yīng)變較低，中心區(qū)域等效應(yīng)變?yōu)?.25~0.5。電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形時(shí)，等效應(yīng)變場(chǎng)分布比液壓機(jī)成形時(shí)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(jī)和電動(dòng)螺旋壓力成形時(shí)的下模溫度分布圖。從圖7中可知，液壓機(jī)成形時(shí)，下模的最低溫度為349℃、最高溫度為619℃;電動(dòng)螺旋壓力成形時(shí)，下模的最低溫度為349℃、最高溫度為448℃。從模具溫度分布趨勢(shì)來(lái)看，液壓機(jī)成形時(shí)，下模型腔溫度均有不同程度的升高，平均升高約150℃;電動(dòng)螺旋壓力成形時(shí)，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(guò)高的模具溫度會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)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(cè)，采用電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形時(shí)，模具溫度相對(duì)較低，有助于延長(zhǎng)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(jī)和電動(dòng)螺旋壓力成形時(shí)鍛件的載荷-時(shí)間曲線。由圖8可知，液壓機(jī)成形時(shí)，整個(gè)成形過(guò)程持續(xù)5.83s，最終成形載荷為4.0x104kN，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形時(shí)，整個(gè)成形過(guò)程持續(xù)0.16s，最大成形載荷為6.1x104kN。電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形時(shí)間極短,但成形載荷較液壓機(jī)高約50%。

對(duì)比Ti-46531鈦合金典型鍛件在液壓機(jī)、電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上的成形過(guò)程可以發(fā)現(xiàn):

(1)鍛件充填過(guò)程幾乎相同，最終均能充填飽滿;

(2)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上成形時(shí)，鍛件溫度場(chǎng)、等效應(yīng)變場(chǎng)分布更加均勻;

(3)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上成形時(shí),由于電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成形速度較快,模具溫升較低,因此模具使用壽命更長(zhǎng)?？紤]到以上因素，選擇8000t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)作為T(mén)i-46531鈦合金鍛件的鍛造的試驗(yàn)設(shè)備。

4、試驗(yàn)結(jié)果

典型鍛件在8000t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9的實(shí)物鍛件可知，鍛件充填飽滿，無(wú)折疊裂紋產(chǎn)生，證明了模擬結(jié)果的有效性。

5、結(jié)論

(1)通過(guò)試驗(yàn)獲得了Ti-46531鈦合金的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)等物理參數(shù)，獲得了Ti-46531鈦合金基于溫度、應(yīng)變速率和變形量的本構(gòu)模型。

(2)設(shè)計(jì)了Ti-46531鈦合金典型鍛件及鍛造工藝，借助數(shù)值模擬分析技術(shù)對(duì)比分析了Ti-46531鈦合金典型鍛件在液壓機(jī)、電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上的成形過(guò)程，確定了最優(yōu)鍛造設(shè)備為8000t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。

(3)在8000t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行了終鍛試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，鍛件充填飽滿，無(wú)折疊、裂紋等缺陷。

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（注，原文標(biāo)題：Ti-46531鈦合金及典型鍛件鍛造工藝模擬_劉運(yùn)璽）