TC18钛合金模锻件锻造成形工艺仿真.docx

第 卷 第 期 年 月 钛合金模锻件锻造成形工艺仿真 黃 湘 龙，易 幼 平，李 蓬 川，沙 爱 学（中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室 ， 湖 南 长 沙 ；中国第二重型机械集团公司 ， 四 川 德 阳 ；北京航空材料研究院 ， 北 京 ）摘 要 ： 采 用 有 限 元 软 件 对 钛合金模锻件锻造成形过程进行了数值模拟仿真 ， 研 究 比 较 了 锤 锻 和 液压 机模锻两种成形方式的不同 。 研 究 结 果 表 明 ：钛 合 金 模 锻 件锤锻变形时过热倾向更加明显 ， 锤 锻 锻 件 的 最 高温度比液压机模锻高 左 右 ， 必须严格控制锻 造 过 程 中 的 温 升 ； 锤锻的有效应力分布很不均匀 ， 锤 锻 锻 件 的 平 均 有 效应力比液压机模锻大 左 右 ， 并且存在严重的应力集 中 区 域 ， 而液压机模锻的有效应力变化较为 平 缓 ； 相比液压机模锻 ， 锤锻锻件的最 大和最小有效应变的差值减小了 ， 锤锻锻件的变形均匀性得到了 改 善 。关 键 词 ：钛 合 金 ； 流 变 应 力 模 型 ； 锻 造 工 艺 ； 数 值 模 拟：中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：文 章 编 号 ： （） ， （ ，；，；，）：， ， ， ，； ， ， ， ；， ， ：； 合 金 是 一 种 高 合 金 化 的 型 钛 合 金 ，具 有 高 强 度 、 高 韧 性 、 高 塑 性 、 淬透性和焊接性好 等 优 点 ，是 退 火状态下强度 最 高 的 钛 合 金 ， 特 别 适 合 制 造 飞 机 机 身 和 起 落 架 上 的 大 型 承 力 结 构 件 ， 在 减 轻 结 构 质 量 、 改 善 结 构 可 靠 性 、 满 足 高 温 高 载 要 求 等 方 面 发 挥了其他金属 难以比拟的作用 。 锻 造 成 形是飞机 主 承 力钛合金构件的主要成形方式 ，型 钛 合 金 准 锻 造 的 工 艺 路 线 是 坯 料 在 相 变 点以 下 预 热 ， 然后随炉升温至 上短 时 加 热 后 变 形 ， 同 时 合 金 的 热 变形 终 锻 温 度 不 能 低 于 ， 锻造温度区间窄 ， 严格 控 制 好 锻 造 过 程 中 的 变 形 温 度 ，才 能 确 保 两相 钛 合 金 具 有 良 好 的 综 合 力 学 性 能。近 年 来 ， 在研 究 钛 合 金 热 变 形 方 面 ， 许 多 学 者 对 合 金 热 变 形 行 为 的 研 究 较 为 广 泛 。 如 等用 及 修 正 的 方 程 描 述 钛 合金高温流变应力 ； 李 渭 清 等 研 究 了 不 同 镦 粗 变 形 工 艺 对 钛 合 金 棒 材 的 显 微 组织和力学性 能 的影响规 律 ， 研 究 结 果 表 明 ， 钛 合 金 棒 材 首 先 在 单 相 区 加 热 并 施 加 大 变收 稿 日 期 ：； 修 订 日 期 ：基 金 项 目 ： 国家重大专项资助项目 （）作 者 简 介 ： 黃 湘 龙 （）， 男 ， 硕 士 研 究 生电 子 信 箱 ：锻 造锻压技术第 卷形 量 锻 造 ，而 后 在 （） 两 相 区 加 热 并 以 适 当 变形 量 锻 造 ，可 获 得 强 度 、 塑性和韧性等综合性能的 良 好 匹 配 ；王 晓 燕 等研 究 了 钛 合 金 在 恒 应 变 速 率 下 、大变形等温锻造时 ，温 度 变 化 对 合 金 组 织 和 性 能 的 影 响 。有 限 元 法 辅 助 锻 压 工 艺 设 计是目前先进的工艺 设 计 方 法 ，研 究材料在模腔 内 的 流 动 状 况 、 锻 件 的 温 度 分 布 、应 力应变和成形 载 荷 ， 进而对工艺参数 进 行 优 化 ，对 提 高 产 品 质 量 、 降低生产成本具有指 导 意 义 。 本 文 以 钛 合金模锻件为 研 究 对 象 ，在 型 热 模拟试验机上进行了 材 料 的 热 模 拟 压 缩 试 验 ， 建 立 了 材 料 流 变 应 力 模 型 ； 借 助 有 限 元 仿 真 技 术 ，针 对 锤 锻 和 液 压机模锻两种成形方 式 的 数 值 模 拟 试验进行了对 比 分 析 ， 为 生 产 实 践 提 供 合 理 的 工 艺 方 案 。试 样 温 度 均 匀 ， 然后进行压缩变形 ， 试 样 变 形 后 空冷 到 室 温 。流 变 应 力 模 型根 据 热 模 拟 压 缩 试 验 得 到 钛 合 金 的 压 力 、 位 移 、温 度 、时间等试验数据 ， 不同应变速率和不 同 温 度 下 的 应 力 应 变 曲 线 如 图 所 示 。流变应力模型建立 流 变 应 力 是 影 响 材 料 成 形 的 重 要 因 素 ， 不 仅 受 材 料 特 性 的 影 响 ， 而 且 取 决 于变形工艺参数 。 在 变 形 方 式 确 定 的 情 况 下 ， 变 形温度和应变速率是材料 成 形 过 程 最 主 要 的 工 艺 参 数， 本文通过热模拟 实 验 方 式 获 得 钛 合 金 材 料 流 变 特 性 ， 采 用 线 性 回 归 方 法 建 立 材 料 的 流 变 应 力 模 型 。试 验 方 法试 样 材 料 为 国 内 新 型 的 钛合金铸锭棒料 ，除 了 钛 基 ，其 它 元 素 化 学 成 分如 表 所 示 。表 钛合金的其它元素化学成分 （ ， 质 量 分 数 ）图 合 金 真 应 力 真 应 变 曲 线（）（） （ ，）在 高 温 塑 性 变 形 条 件 下 ， 钛 合 金 的 流 变应 力 和 应 变 速 率 之 间 的 关 系 可 用 和 提 出 的 包 含 变 形 激 活 能 和 温 度 的 双 曲 正 弦 形 式 ：其 他 杂 质 在 型 热 模 拟 压 缩 试 验 机 上 进 行 材料 等 温 恒 应 变 速 率 热 压 缩 试 验 ， 压 缩 试 样 为 的 圆 柱 体 ， 试 样 两 端 车 出 直 径 为 、深 的 凹 槽 。 为 减少端面摩擦对变形抗力的 影 响 ，避 免 产 生 严 重 鼓 形 ， 压 缩前圆柱试样两端的 （）（）（）式 中 ： 为 常 数 ； 为 变 形 激 活 能 ； 为 气 体 常 数 ；为 应 变 速 率 ； 为 绝 对 温 度 ； 为 与 温 度 无 关 的 常 数 。结 合 热 压 缩 试 验 得 到 的 数 据 绘 制 出和 曲 线 ，利 用 软 件 ， 通 过 线 性 回 归 的 方 法 得 到 其 直 线 斜 率 的 平 均 值 ， 从 而 求 出 。根 据 得 到 的 值 ，绘 制 （）曲 线 ，通 过 线 性 回 归 求 出 直 线 斜 率 平 均 值 。然 后 绘 制 （） 曲 线 ， 在 相 同 应 变 速 率 条 件 下 ， 流变应力的双曲正弦的对数项和 凹 槽 内 填 充 润 滑 剂（石 墨 机 油 硝 酸三 甲 苯 酯）；为 避 免 试 样 在 高 温 下 被 氧 化 ，在 氩 气 保护 气 氛 下 进 行 试 验 。 由 于 合 金 的 热 变 形 终 锻 温 度 不 能 低 于 ， 试 验 选 取 变 形 温 度 为 ， 和 ； 变 形 速 率 为， ， 和 ； 变 形 程 度 为。系 统 升 温 时 间 ，保 温 以 保 证 整 个第 期黃 湘 龙 等 ：钛合金模锻件锻造成形工艺仿真 温 度 的 倒 数 之 间 满 足 线 性 关 系 ， 表 明 钛 合 金变 形 时 流 变 应 力 和 温 度 之 间 满 足 和 提 出 的 包 含 变 形 激 活 能 和 温 度 的 双 曲 正 弦 形 式 ，进 行 线 性 回 归 分 析 ， 变换后可以得到激 活 能 （ ）。 再 根 据 表 锻造仿真方案参数设置 工 艺 参 数数 值坯 料 温 度模 具 温 度（） 关 系 ，将、 及 值 代 入 公 式（） 式 ， 对能 量 ； 打 击 效 率； 上 模 具 质量 ； 下 模 具 质 量 ； 两 锤 间隔 时 间 为 最 大 压 力 ， 下 压 速 率 为 锤 锻 中 （ ）， 锤 锻 间 隔 中 间 （ ）其 进 行 线 性 回 归 ，得 到 。对 击 锤 参 数将所求得的材料常数代入公式（）中，即可求得液 压 机 参 数适用于 钛合金所有应力状态的流变应力模型： （）热 交 换 系 数 （模 具 ）（）（）热 交 换 系 数 （空 气 ）（ ） 热 摩 擦 系 数模锻件成形工艺仿真 有 限 元 仿 真 基 本 参 数本 文 利 用 有 限 元 仿 真 软 件 进 行 模 拟种 锻 造 成 形 方 式 对 锻 件 温 度 、 应力和应变场的影响 规 律 ，优 化 锻 件 成 形 工 艺 。温 度 场 比 较计 算 ，在 液 压 机 模 锻 和 锤 锻 两 种 工 艺 条 件 下 ， 为 了获 得 航 空 支 柱 模 锻件在 锻 造 成形过程中的 温 度 场 、 应 变 场 、 应 变速率场以及应 力 场和 载 荷 的 变 化 规 律 ， 采 用 了刚塑性有限 元法进行热力 学 耦合 。 在 有 限 元 计 算 过 程 中 ， 考 虑 了 坯 料 与 空 气 间 的 辐 射 及 热 传 导 、 模 具 与 坯 料 间 的 热 传 导 、 同 时 还 考 虑了 塑 性 变 形 热 、 摩 擦 热 的 影 响 。 图 为 航 空 支 柱 模 锻 件 三 维 模 型 。从 图 可 以 看 到 ： 液 压机模锻锻件 主 要温度范 围 是 ，锤 锻 锻 件 主 要 温 度 范 围 是 ，两 种 方 式 的 主 要 温 度 均 在 锻 造 温 度 区 间 范 围 内 。锤 锻 锻 件 的 最 高 温 度 为 ， 比 液 压 机 模锻 锻 件 的 最 高 温 度 升 高 左 右 ， 表 明钛 合 金锤锻变形时过热倾 向 更 加 明 显 。 高 速 锤 锻 使 得 锻 件 内部金属流动速度过快 ， 由 于 变 形 热效 应 导 致 局 部 温 度 升 高 ， 钛合金导热系 数 很 小 ， 热 量 难 以 迅 速 扩 散 ， 从而造成局部过热 ， 可 能 会 导 致图 模锻件三维模型 锻 造 工 艺 仿 真 坯 料 材 料 为 钛 合 金 ， 密 度为 ，泊 松 比 为 ，杨 氏 弹 性 模 量 为， 辐 射 率 为 ， 材 料 的 体 积 比 热 容 为 ；模 具 材 料 为 ，热 导 率 为 （）， 在 锻 造 成 形 模 拟 中 ， 不 考 虑 模 具 的 变 形 ， 模 具 材 料 属 性 设 为 刚 体 。 利 用 软 件 自 动 划 分 网 格 功 能 对 坯 料 进 行 网 格 划 分 ，坯 料 网 格 数 为 ， 在 计 算 过 程 中 随 时 根 据 网 格 畸 变 情 况 进 行 重 划 分 ， 以保证计算的精度和 收 敛 性 。分 别 对 锻 件 在 不 同 工 艺参数下的成形进行 仿 真 分 析 ，表 为模拟仿 真的详细参数设置 。图 温 度 场 比 较（） 液压机模锻温度场 （） 锤 锻 温 度 场 （）（）仿 真 结 果 分 析本 文 对 钛 合 金 模 锻 件进行了锤锻和液压 机 模 锻 两 种 不 同 成 形 方 式 的 仿 真 分 析 ，研 究 比 较 两锻压技术第 卷出 现 粗 大 晶 粒 的 过 热 组 织 ， 使得变形组织不均匀 ，锻 件 的 力 学 性 能低且一致性差 。 必须严格控制锻造 变 形 均 匀 性 比 较变 形 均 匀 性 与 锻 件 的 力 学 性 能 密 切 相 关 ， 锻件 成 形 过 程 的 有效应变场可以反映锻件变 形 的 均 匀 性 。从 图 和 表 可 以 看 到 ： 液 压 机 模 锻 锻 件 的 有 效 应 变 主 要 分 布 在 范 围 之 间 ；锤 锻 锻 件 的 有效 应 变 主 要 分 布 在 范 围 之 间 ；锤 锻 锻 件 的 最 小有 效 应 变 比 液 压 机 模 锻 提 高 将 近 ， 锤 锻 锻 件 最 大 和 最 小 有 效 应 变 的差值比液压 机 模 锻 减 小 ，同 时 锤锻锻件的平均有效应变比液 压 机 模 锻 大，表 明 由 于 锤锻锻件整体温度比液压机模锻 高 ，锻 件 难 变 形 处 的 流 动 性 增 强 ，相 比 液 压 机 模 锻 ， 变 形 均 匀 性 得 到 改 善 。过 程 中 的 温 升 情 况 ， 要严 格控制变形温度 终 锻 温 度），避 免 锻 件 局 部 出 现 “过 烧”。（特 别 是应 力 场 比 较从 图 和 表 可 以 看 到 ： 液 压 机 模 锻 锻 件 有 效应 力 值 主 要 分 布 在 之 间 ； 锤 锻 锻 件 有 效 应 力 值 主 要 分 布 在 之 间 ； 而 且 锤 锻 锻件 的 平 均 有 效 应 力 值 比 液 压 机 模 锻 大 左 右 ，说 明 锤 锻 金 属 变 形 比 较 困 难 ， 同时锤锻锻件的最大 有 效 应力值 和 最小有效应 力值都比液压机模锻要大 ， 有 效 应 力 分 布 很 不 均 匀 ， 在筋板一些部位有效应力 值 接 近 ， 比液压机模 锻的有效应力 增 加 近 两 倍 ，存 在 严 重 的 应 力 集 中 ， 降 低 锻 件 的 质 量 ； 而液 压 机 模 锻 锻 件的有效应力 值变化较为平缓 ， 在 一 些 难 成 形 的 拐 角 、 筋 等 处 应 力 也基本一致或者稍微 有 所 增 加 ，没 有 出 现 应 力 集 中 区 域 。图 有效应变场比较 （） 液压机模锻有效应变场（） 锤锻有效应变场 （）（）图 有效应力场比较 （） 液压机模锻有效应力场（） 锤锻有效应力场 （）（）表 有 效 应 变 对 比成 形 方 式液 压 机 模 锻锤 锻表 有 效 应 力 对 比（）最 大 有 效 应 变最 小 有 效 应 变 平 均 有 效 应 变 （）成 形 方 式液 压 机 模 锻锤 锻最 大 有 效 应 力最 小 有 效 应 力 平 均 有 效 应 力结 论（） 通 过 等 温 恒 应 变速率热压缩 试 验确定了 第 期黃 湘 龙 等 ：钛合金模锻件锻造成形工艺仿真 赵 建 国 合 金 的 热 变形行为及其组织演变 大连 ： 大 连 理 工 大 学 ，李 兴 无 ， 沙 爱 学 ， 张 旺 峰 ， 等 合金及其在飞机结构 中 的 应 用 前 景 钛 工 业 进 展 ， （）：彭 艳 萍 ， 曾 凡 昌 ， 王 俊 杰 ， 等 国 外 航 空 钛 合 金 的 发 展 应 用 及 其 特 点 分 析 材 料 工 程 ， （）： ， ， ， （）：李 渭 清 ， 冯 永 琦 ， 王 鼎 春 ， 等 镦 粗 变 形 工 艺 对 组 织 和 性 能 的 影 响 钛 工 业 进 展 ， （）：王 晓 燕 ， 郭 鸿 镇 ， 袁 士 翀 ， 等 等温锻造温度对 钛 合 金组织性能的影响 锻 压 技 术 ， （）： 赵 为 纲 ， 李 鑫 ， 鲁 世 强 ， 等 钛合金高温变形本构关 系 研 究 塑 性 工 程 学 报 ， （）：纪 仁 峰 ， 闵 新 华 ， 胡 弘 剑 ， 等 钛合金高温塑性变形 流 变应力变形行为研究 稀 有 金 属 与 硬 质 金 ，（）：易 幼 平 ， 杨 积 慧 ， 蔺 永 诚 铝合金热压缩变形的 流 变 应 力 本 构 方 程 材 料 工 程 ，（）：李 红 恩 ， 沙 爱 学 钛 合金热压参数对流动应力与显微 组 织 的 影 响 材 料 工 程 ，（）：黄 伯 云 ，李 成 功 ， 石 力 开 ， 等 中国材料工程大 典 ： 第 卷钛合金 双 曲 正弦形式 的流变应力模型为 ： （）（）（） 锤 锻 锻件的最高 温度比液压机模锻高 左 右 ，表 明 钛 合 金锤锻变形时过热倾向更加 明 显 ，因 此 ，锻 造 工 艺 参 数 和 工艺过程的温度控制 也 应 更 加 严 格 。（） 相 比 液 压 机 模 锻 ， 锤 锻 成 形 方 式 锻 件 的 有 效 应 力 分 布 很 不 均 匀 ， 存 在严重的应力集中区域 ； 锤 锻 的 变 形 均 匀 性 得 到 改 善 。参 考 文 献 ：刘 惠 芳 ， 魏 寿 庸 ， 刘 家 峰 ， 等 钛合金组织对力学性 能 的 影 响 第十二届中国有色金属学会材料科学与 合 金加工学术研讨会文集 北 京 ： ， ，（）： ，（）： ， ，（）：有 色 金 属 材 料 工 程 （上 ） 北 京 ： 化学工业出版社 ，欢迎订阅 金属热处理杂志由北京机电研究所 、 中国机械工程学会热处理学会和中 国热处理行业协会合办的 金 属 热 处 理 杂 志 长期以来坚持正确 的 办 刊 方 针 ， 努 力 面 向 市 场 ， 服 务 行 业 ， 依 法 办 刊 ， 规 范 编 辑 ， 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