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當量的近α型鈦合金。該合金既具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊性，又具有接近于α+β型鈦合金的工藝塑性，是一種綜合性能優良的鈦合金[1],被廣泛用于制造高性能飛機的重要構件。

對金屬熱加工過程進行數值模擬，可以為合理制定鍛造工藝提供具有科學和實際的指導意義。本文研究了坯料尺寸、坯料轉移時間等對TA15鈦合金模鍛成形過程的影響，對制定合理的TA15鈦合金模鍛工藝提供借鑒。

1、試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗坯料為小52mmTA15鈦合金棒材，合金(3相變點為(995±5)°C，實測化學成分見表1。

沿棒材縱向取樣檢測力學性能(均值）如表2所示。

1.2試驗方法

本文研究的TA15鈦合金鍛件和模具如圖1所示，鍛件長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,質量為436g。

根據坯料填充模具飛邊倉部的50%、60%、70%[2]來設計坯料體積,3種體積下的不同坯料尺寸按鍛件最大輪廓尺寸φ50mmx90mm進行等長度小φ90mm和等直徑φ50mmxL設計，另外再適當增加直徑至φ52mm進行等直徑φ52mmxL設計,9種模擬坯料尺寸如表3所示。

數值模擬主要參數為：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),熱導率19.7W/(m.K);②變形體與周圍空氣間換熱系數[41為16.5W/(m2.K),與模具接觸面間換熱系數為1450W/(m.K);③坯料加熱溫度955°C,環境溫度20°C;④模具預熱溫度200°C,上模運動速度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實際鍛造情況可以分解為以下三個階段15]:①坯料轉移過程模擬屬熱傳導模擬，鍛件坯料的轉移過程，即坯料出爐后到放置在下模上之間有10s的轉移時間，該過程中坯料和模具僅與外界環境發生熱傳導。②閉模過程模擬屬熱傳導模擬，上下模閉模過程，即上模運動至與坯料接觸之間有2s的時間間隔。這段時間內坯料不但與外界空氣環境發生熱傳導，而且也與下模發生熱傳導。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生坯料與空氣、坯料與模具、模具與空氣之間的熱傳導，而且還發生坯料自身的變形。

坯料和模具劃分網格后如圖2所示。

2、試驗結果及討論

2.1數值模擬結果分析

2.1.1坯料轉移過程模擬

9種坯料轉移后溫度變化對比如圖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的溫度變化對比如圖7所示。鍛件完全充滿模膛時，由于合金變形熱效應造成鍛件最高溫度上升，比閉模時的最高溫度上升了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，頂點處溫降最大，降至193°C。從圖3還可以看出，當坯料長度為90mm(S1、S4、S7)時，坯料溫度降低最多，其原因在于此尺寸坯料長度最長，表面積較大，導致散熱較多。

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，坯料溫度進一步降低，并且坯料長度為90mm的3種坯料規格溫度降低較多。模具溫度也進一步降低，但下模因與鍛件坯料有接觸，故其接觸點部位及附近溫度反而升高。由圖6還可以看出，坯料在經過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下降到881T：，相比坯料的出爐溫度955°C,鍛件坯料最大溫降達74°C,平均溫降達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較窄，因此，以上數據充分說明了坯料出爐轉移和閉模時間的重要性：轉移、閉模時間越短，坯料溫度降低越少，相應坯料溫度越 鍛件的溫度分布具有一定的對應性，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692°C，幾乎所有的棱邊溫度均在500°C以上，這對模具材料本身性能提出了較高的要求。

9種鍛件完全填充時模間距（上模和下模間隙距離）和上模z向載荷的對比關系如圖9所示。二者總體上呈反比關系，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，當鍛件體積分別為50%、60%、70%時，S2、S5、S9號鍛件的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鍛件完全填充時的z向載荷最小，而且模間距最大，具有最優的成形性。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鍛件具有最優的成形性，可見，坯料直徑適當大于鍛件直徑有利于模鍛成形。

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

2.2鍛件成形性分析

根據數值模擬結果，采用S9坯料進行了實際鍛造試驗，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鍛前準備，模具預熱溫度200°C,坯料表面涂覆玻璃潤滑劑；③加熱，電爐加熱，加熱坯料到955°C后保溫40min;④鍛造，坯料從爐中轉移至模具時間≤10s,模具合模時間≤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量優良。實際鍛造飛邊與數值模擬飛邊對比如圖11所示，二者外觀輪廓形狀一致，表明模擬的金屬流動與實際鍛造過程中金屬的流動情況一致，充分說明了數值模擬的準確性。

2.3鍛件組織、性能分析

將鍛件按下述工藝制度進行真空熱處理，之后進行組織、性能分析：①熱處理前準備，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，鍛件內部組織比較均勻，有一定的規律性，即：鍛件的中心部位晶粒較粗大，為清晰晶，邊緣部位晶粒較細小，為模糊晶。A點區域屬于清晰晶區，晶粒度級別為4.5級，高倍組織如圖13(a)所示。邊部B點區域晶粒度級別為7級，為模糊晶區，高倍組織如圖13(b)所示。C點區域晶粒度級別為5級，仍屬清晰晶區，高倍組織如圖13(c)所示。

圖12(a)中“B”點區域存在一“<”型區域，如圖中箭頭所指，此處晶粒細小，顯示出了明顯的金屬流動方向，表明金屬從鍛件中間部位流向</>50mm的圓端部。圖12(b)中，TA15合金原始棒材晶粒度為9.0級，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大。

由圖13可見，TA15合金鍛件內部“A”、“B”、“C”三點高倍組織特征差別不大，均為拉長的初生α相+層片狀α相+β相。拉長的初生α相的形成主要與合金鍛造變形有關，即初生α相的拉長方向為合金的流動方向。

2.3.2鍛件力學性能分析

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性能，相比于表2中的棒材坯料，鍛件強度、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。

3、結論

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

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

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

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

參考文獻：

[1]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊：第4卷[M].第2版.北京：中國標準出版社，2001:74.

[2]黃伯云，李成功，石力開，等.中國材料工程大典：第4卷（上）[M].北京：化學工業出版社，2005:694.

[3]龍麗.TA15合金鍛造過程的數值模擬[D].西安：西北工業大學，2005.

[4]夏巨湛.中國模具工程大典：第5卷[M].北京：電子工業出版社，2007:157.

[5]李傳民，王向麗，閆華軍.金屬成形有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業出版社，2006:136.S3