摘要：对于钛合金复杂元件采用机制造成型费用高、材料使用效率低的情况，提出钛合金复杂部件的新方法，就是先等温锻造为复杂部件轮廓，再辅用机械制造的方式成型。经有限元模拟研究与实验分析，总结出非对称变外观钛合金复杂部件等温锻造成型方法是：锻造气温900-950℃，应变速度0.03mm?s-1。选择玻璃润滑剂，模型材料采用K3合金与空冷的锻后操作。测试结果显示：使用该等温锻造成型方法得到的钛合金复杂元件完全符合系统的性能标准，其能取代机械生产产品；按新工艺制造成型的钛合金复杂部件，不仅节约了成本，缩减了机械生产时间，并且材料使用率也提升到了60%之上。
关键词：钛合金；复杂构建；等温锻造；工艺分析
钛与钛合金由于密度小、比强度大和良好的抗腐蚀特性，在武器装置及航空航天领域起到了非常重要的作用。某飞行器的衔接件采取TC4钛合金加工而成（见图1）。该配件外观规格大，截面变化大，部件外观复杂，属于典型的钛合金非对称外形复杂部件。因构建外观复杂，同时需要进行超声波探测，为负荷系统的性能需要，整个构建都选择机械生产成型，材料使用率小于20%。
图1 TC4钛合金复杂部件外观
1、数值仿真
1.1钛合金毛坯根据绝对网格分类，单元边长为1，比率为2，变形气温为900℃，上模速率0.1mm?s-1，摩擦因子选择0.07，根据牛顿——拉普森准则检验，当上模下行至50毫米时锻件成型，这时锻件飞边厚度是0.5毫米。根据上述参数开展DEFROM仿真测试。图2是锻坯的数值仿真成型过程。
图2 锻坯数值仿真成型过程
由图2不难发现：坯料耳部金属填充较慢，同时，耳部低端存在一个较明显的凹形，表示该处金属极易出现折叠，这针对锻件成型是不能发生的情况；由图2能够看出，这个关连件的耳部型腔狭小，属于整个锻件过程最难成型的部分。为此，兼顾到锻件构造复杂，棒坯外观要含有耳部。此外，由于在进行锻造时，坯料体积有些损失在飞边上，还有一些因锻造环节密度出现了变化而损失，因此，棒坯体积确定为锻件体积和80%飞边槽体积的和。
1.2行程-负荷曲线
图3是棒坯铸造模拟阶段的行程-负荷曲线。因整个等温锻造环节，上模处理速度小，成型温度大（900℃），TC4钛合金在等温锻造成型阶段出现塑性变化，变形抗力较低，同时，在整个坯料金属的处理环节模具所承担的负荷均非常平稳，仅仅是在最后过程，金属朝飞边挤出的环节，模具受到的负荷在急剧改变[1]。由此，该TC4材料部件等温锻造能使用比常规模锻吨位要小的压力机来实现。
1.3应力变化图
实验选择DEFORM有限元系统对棒坯成型阶段的金属流动速度与等效应力、等效变化展开数值仿真，终锻过程的等效应力变化如图3所示。就模拟的全过程来看，棒坯中应力未产生明显改变，棒坯成型后完成后，锻件中应力与应变布局比较均匀，金属流线布局科学，因此锻件组织性能优秀。
由表1得知，两件棒坯都完全成型，锻件尺寸不仅符合图纸理论需要，还确保了后期机械生产要求的制造余量需要。为此，从外形与尺寸上考虑，文章所述的先锻造为构建形状后再用机械生产的方式是有效的；从材料使用率上考虑，部件重量大概为15.2千克，锻坯TC4钛合金棒坯Ф50毫米重量25.5千克，材料使用率是60%。
2.2力学特性
等温锻件通过冷却之后，在预计的锻件位置采样开展力学特性研究，测出锻件力学特性与规定值[2]。通过研究发现，各种力学性能的检测结果都符合并超出锻件预期的指标需要，同时，不同锻件不同样本的机械性能相似，表示等温锻造的TC4材料非对称变截面复杂部件的质量较好，可以满足系统的性能标准。
3 讨论
锻造参数，特别是锻造温度与应变速度，是确保钛合金复杂锻件可以超塑性成形的两个关键因素，决定了构件的尺寸精度及微观结构。
锻造参数，特别是锻造温度与应变速度，是确保钛合金复杂锻件可以超塑性成形的两个关键因素，决定了构件的尺寸精度及微观结构。
锻造气温：钛合金的 +β相变气温度指热平衡条件下， 相恰好完全转换成β相的温度，这个温度是明确合金生产与热处理方法的具体参数。 +β型合金加热气温略小于 +β/β相变气温，即在（ +β）相区实施加热，让锻造环节在（ +β）相区内实现，确保产品的组织质量。TC4材料是 +β型合金，相变气温是960℃-990℃。
等温铸造过程，因构件的深度、界面改变明显，为确保填充模腔，要充分确保合金的超塑性气温，从而真正散发合金的超塑性性能[3]。TC4材料超塑性气温在900℃-980℃范围内，兼顾到要略低于相变气温为960℃-990℃，因此，模具温度与坯料加热气温保证在900℃-950℃范围以内。
等温铸造过程，因构件的深度、界面改变明显，为确保填充模腔，要充分确保合金的超塑性气温，从而真正散发合金的超塑性性能[3]。TC4材料超塑性气温在900℃-980℃范围内，兼顾到要略低于相变气温为960℃-990℃，因此，模具温度与坯料加热气温保证在900℃-950℃范围以内。
应变速率：锻造开始后，因还未接触毛坯，没有受力，早期能迅速下压；在上模速接触毛坯时，能利用最早钛合金变化抗力小的特征，稍微下降下压速率；当锻造变化抗力迅速加大时，应变速度降低至最小。结束后要保压一段时间，以发挥钛合金的超塑性性能，使之填满模腔。
4、结论
（1）经数值仿真与实验分析，获得TC4材料复杂部件锻造工艺参数是：锻造气温900-950℃，应变速度0.03mm?s?-1。选择玻璃润滑剂，模型材料采用K3合金与空冷的锻后操作。
（2）从TC4材料复杂部件数值仿真与等温锻造设施的规格精度、力学特性研究结果来说，等温锻造中金属流线布局更均衡，性能完全符合飞行器的功能需要，因此，钛合金复杂部件采取先等温锻造再机械加工是有效的。
（3）TC4材料复杂部件采用机生产的材料使用率是16.7%，选择先等温锻造后机生产工艺的材料使用率是60%，由此得知，工艺已的改造能极大提升材料使用率，缩减机加工时间，为迎合航空航天等科学技术领域对钛合金锻件精确度的要求奠定坚实的基础。
参考文献
[1]杨合,孙志超,樊晓光,高鹏飞,武川.钛合金大型复杂构件等温局部加载近β锻造组织控制研究进展[J].航空材料学报,2014,34(04):72-82.
论文作者:王振桥
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/25
标签：钛合金论文; 塑性论文; 气温论文; 部件论文; 材料论文; 合金论文; 坯料论文; 《防护工程》2018年第2期论文;