钛合金锻造工艺及典型锻件的模拟

随着航空技术的飞速发展，航空航天金属材料面临着轻量化、长寿命和优异环境适应性的迫切需求。钛合金作为一种新型轻质材料，在近几十年发展起来，具有高比强度、优异韧性、高损伤容限、强耐腐蚀性和良好的焊接性能等卓越特性。这些特性使其成为降低飞机结构重量、提高结构效率和增强整体可靠性的关键，并使其成为先进飞机的主要结构材料之一。[1–5]钛合金已从低强度到中等强度发展到高强度，其中高强度高韧性合金已成为航空应用领域的主要全球趋势——是飞机机身、起落架部件和连接件等关键承载部件的理想材料。典型的高强度高韧性钛合金包括Ti-1023、Ti-15-3、β-C、β-21S、BT22、TC21和Ti-5553。[6–10]这些合金已被广泛采用。然而，当应用于实际的航空航天部件时，这些合金的强度仍然无法超过1250兆帕。

近年来，受航空航天工业对轻质材料需求日益增长的推动，研究机构开展了强度超过1300兆帕的超高强度钛合金的研究。[11–15]旨在进一步提高结构效率，在确保安全性和可靠性的同时实现更大的减重，并带来卓越的技术和经济效益。

Ti-46531是一种新型的Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr基亚稳态β相超高强度钛合金，具有优异的强度和塑性-韧性，实现了强度与韧性的最佳平衡。本文对其塑性变形行为和典型锻件的锻造工艺模拟进行了全面研究，并通过实验验证证实了其巨大的工程应用潜力。

1. 建立物质模型

本研究采用了一种新开发的Ti-Al-Mo-VCr-Zr基多元强化亚稳态β型超高强度钛合金Ti-46531，其标称成分（质量分数）为4% Al、5% Mo、6% V、3% Cr和1% Zr。精确测定Ti-46531的物理参数对于数值模拟研究至关重要；因此，本研究实验测量了其在不同温度下的关键参数，包括比热容、热导率和线膨胀系数，结果如表1所示。表中数据表明，随着温度升高，比热容基本保持不变，而热导率和线膨胀系数均显著增加。此外，该材料在820℃处存在相变点，室温密度为4690 kg·m⁻³，泊松比为0.32。

在Gleeble-3800热模拟试验机上进行了恒温恒应变速率压缩试验，建立了基于温度、应变速率和变形量的Ti-46531钛合金本构模型。β型钛合金通常在低于其相变温度20～50℃的温度下锻造，应变速率范围为0.001～1.0 s⁻¹；因此，热压缩试验在720、750、780、810、840、870和900℃的温度下进行，应变速率分别为0.001、0.01、0.1和1.0 s⁻¹。

图1展示了Ti-46531钛合金在不同变形条件下的真应力-真应变曲线。如图所示，流变应力随温度升高而降低，随应变速率增大而增大；应变速率和变形温度均对流变应力有显著影响。在相同应变速率下，700℃时的流变应力是900℃时的2～3倍；在相同温度下，应变速率为1.0 s⁻¹时的流动应力是应变速率为0.001 s⁻¹时的3～5倍。Ti-46531流动应力对变形温度和应变速率的高度敏感性显著增加了其锻造加工的难度。

2.锻造工艺设计

图2所示为Ti-46531钛合金的典型锻造结构。该锻件重8.0 kg，外形尺寸为447 mm × 117 mm × 74 mm。其呈上下对称结构，对称面即为其轮廓的最大凸面；因此，该平面被选作分型线。各部分的余量如下：两端环形结构外侧5 mm，中心腹板10.5 mm，其他区域8 mm。顶出角为7°；中心槽的倒角半径为20 mm，凸起部分的倒角半径为8 mm；其他区域的倒角半径均为5 mm。

根据锻件的结构和材料特性制定的锻造工艺方案如图3所示。具体步骤如下：首先，将圆棒切割成坯料，并对两端进行倒角；然后使用锤锻机快速成形坯料，再进行打磨以去除表面缺陷；最后，在8000吨电动螺旋压力机或5000吨液压机上进行单道次压制。

3.锻造模拟与分析

3.1 仿真参数设置

电动螺旋压力机和液压压力机常用于成形难变形金属的复杂锻件，二者在成形特性、控制方法和工艺适应性方面各有优势。为了确定典型Ti-46531钛合金锻件的最佳成形设备，本文采用广泛应用于金属塑性成形领域的数值模拟技术，利用计算机模拟方法对液压压力机和电动螺旋压力机上该锻件的成形过程进行建模。通过对关键技术参数（包括填充性能、应变场和温度场）的对比分析，最终确定了最合适的成形设备。

表2列出了锻造模拟参数设置。电动螺旋压力机和液压压力机的模拟参数基本相同：落料后，坯料被重新加热至初始锻造温度780℃；模具预热温度为350℃，坯料与模具之间的摩擦系数为0.3。液压压力机上模的压制速度约为10 mm·s⁻¹。为防止坯料温度下降过快，通常用绝缘材料包裹坯料，使得坯料与模具之间的传热系数为1 N·(s·mm·℃)⁻¹。对于电动螺旋压力机，成形过程中模具与坯料之间的传热系数为5 N·(s·mm·℃)⁻¹，成形速度由能量输入控制；具体的运动参数设置见表3。

3.2 仿真结果分析

图 4 展示了压铸件的成形过程，其中图 4a 和 4b 分别展示了短剑在液压机和电动螺旋压力机下的成形过程。

如图4所示，坯料精确地定位在模具内；随着上模向下移动，坯料两端同时与模具接触，无刚性位移，确保成形过程稳定；随着上模继续向下移动，坯料上表面逐渐贴合模腔，锻件各部分几乎同时成形，此时开始出现飞边；当上模压力降低2 mm时，锻件完全填充，飞边极少，材料利用率高。对锻造成形过程的综合分析表明，液压机和电动螺旋压力机的成形过程差异极小。

图5显示了锻件锻造后的温度分布（直线表示横截面位置；图5a和5b分别表示液压成形和电动螺旋成形过程中的温度分布）。如图5所示，飞边区域温度较高，而表面温度较低，中心区域温度变化较小。液压成形过程中，最低温度达到456℃，最高温度达到845℃；而电动螺旋成形过程中，最低温度为783℃，最高温度达到1090℃。对比发现，两种成形方式的温度分布模式截然不同：液压成形过程中，件体温度由内向外逐渐降低，表面温度降至732℃以下，中心温度超过796℃，主要集中在700-812℃之间；电动螺旋成形过程中，不同区域的温度逐渐升高——飞边区域温度超过885℃，件体温度范围为780-840℃。总体而言，电动螺旋压力机成型可使锻件内部温度分布更加均匀。

图6显示了锻件锻造后的等效应变分布（图6中的直线表示横截面位置）。图6a和图6b分别展示了液压成形和电动螺旋成形过程中的等效应变分布。如图6所示，液压成形过程中的最小等效应变为0.08，最大等效应变为19.900；电动螺旋成形过程中的最小等效应变为0.12，最大等效应变为9.070。等效应变在飞边区域较高，在表面较低，中心区域的数值范围为0.25至0.5。电动螺旋成形过程中的等效应变场分布比液压成形过程中的分布更加均匀。

图7展示了下模的温度分布，其中图7a和图7b分别描绘了液压成形和电动螺杆压力成形过程中的温度分布。如图7所示，液压成形过程中下模的最低温度范围为349℃至619℃，而电动螺杆压力成形过程中下模的最低温度范围为349℃至448℃。根据温度分布趋势，两种成形方法下下模腔均表现出相似的特性。

温度升高程度不一，平均升高约150℃。在电动螺旋压力机成型过程中，下模腔的温度升高幅度有限，仅在模腔两端出现约100℃的局部温度升高。模具温度是影响模具使用寿命的关键因素；过高的温度会导致材料回火软化，加速蠕变变形，从而缩短模具使用寿命。因此，可以得出结论：使用电动螺旋压力机能够降低模具温度，从而延长模具使用寿命。

图 8 展示了锻件的成形载荷，其中图 8a 和 8b 分别显示了液压机和电动螺旋机成形的载荷-时间曲线。如图 8 所示，液压机成形过程持续 5.83 秒，最终成形载荷为 4.0 × 10⁴ kN；而电动螺旋机仅需 0.16 秒，最大成形载荷为 6.1 × 10⁴ kN。尽管电动螺旋机的成形时间显著缩短，但其成形载荷却比液压机高出约 50%。

对典型Ti-46531钛合金锻件在液压机和电动螺旋压力机上的成形过程进行比较，结果表明：（1）两种成形方式的填充过程几乎相同，所有锻件均实现了完全填充；（2）在电动螺旋压力机上成形时，温度场和各向同性应变场分布更加均匀；（3）由于其成形速度更快、模具温升更低，电动螺旋压力机的模具使用寿命更长。综合考虑以上因素，最终选择一台8000吨电动螺旋压力机作为Ti-46531钛合金锻件的试验设备。

4. 实验结果

在 8000 吨电动螺旋压力机上对典型的锻件进行了测试，结果如图 9 所示。如图 9 中的实物试样所示，锻件完全填充，没有任何折叠裂纹，证实了模拟结果的有效性。