近α型TA15鈦合金殼體熱擠壓成形質(zhì)量提升機(jī)制研究——結(jié)合試驗(yàn)與有限元模擬，解析相變溫度下坯料表面與中心溫差異常導(dǎo)致的黏結(jié)裂紋缺陷，通過(guò)模具預(yù)熱玻璃潤(rùn)滑劑應(yīng)用及參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)成形性能改善

1、序言

鈦合金具有高比強(qiáng)度、高熱強(qiáng)度、密度小以及耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1?3]。TA15作為一種高鋁含量近a型鈦合金，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗蠕變性能和良好的耐蝕性，使其能夠長(zhǎng)期工作的最高使用溫度可達(dá)500~550℃[4,5]，因此被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、承力隔框、氣道柵格罩和中央機(jī)翼下壁等，確保飛行器上的重要結(jié)構(gòu)件能在高溫、承力復(fù)雜的環(huán)境下長(zhǎng)期服役[6]。

TA15鈦合金的相變溫度為985~995℃，當(dāng)處于相變溫度以下時(shí)，鈦合金的結(jié)構(gòu)為密排六方晶格(α-Ti)，其強(qiáng)度高、塑性差;當(dāng)處于相變溫度以上時(shí)，其結(jié)構(gòu)變?yōu)轶w心立方晶格(β-Ti)，耐熱性較差，但工藝塑性較好[7, 8]。相變溫度的存在加大了TA15鈦合金殼體熱擠壓成形的難度。

在熱擠壓過(guò)程中，TA15鈦合金的變形機(jī)制及組織演化均很復(fù)雜[9]。坯料表面與模具進(jìn)行熱交換導(dǎo)致表面溫度降低，坯料內(nèi)部持續(xù)的變形使溫度升高，坯料表面和內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫度差。不均勻的溫度分布使坯料的變形抗力產(chǎn)生明顯梯度，最終導(dǎo)致在擠壓過(guò)程中組織和性能的不均勻。在宏觀上表現(xiàn)為工件上會(huì)出現(xiàn)裂紋、形變等缺陷。

本文通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，改進(jìn)TA15鈦合金殼體熱擠壓試驗(yàn)工藝參數(shù)，提高熱擠壓模具內(nèi)表面的初始溫度;使用傳熱系數(shù)低的玻璃潤(rùn)滑劑，殼體薄壁處溫度差減小，避免了開裂缺陷。

2、熱擠壓工藝試驗(yàn)與有限元分析

2.1熱擠壓試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為87mm×68mm×155mm的長(zhǎng)方體TA15鈦合金鑄態(tài)坯料，其化學(xué)成分見表1。熱擠壓模具由上模、下模墊塊和下模組成，如圖1a所示。擠壓時(shí)上模下壓，可將坯料擠壓成外部邊緣為方形、內(nèi)部空腔為圓形的薄壁長(zhǎng)方體部件。試驗(yàn)件制備過(guò)程為:首先將馬弗爐溫預(yù)熱至980℃，后將坯料放入爐內(nèi)加熱1h。擠壓前30min階段將加熱絲放入模腔內(nèi)加熱模具，將模具加熱至300℃左右后，再將坯料從爐中取出放入模腔內(nèi)，采用液壓機(jī)擠壓至合模，保持2s后取出部件。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)品產(chǎn)生了嚴(yán)重的魚鱗龜裂紋與形變，如圖1b所示。

表1 TA15鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

2.2有限元參數(shù)設(shè)置

由于熱擠壓試驗(yàn)件存在嚴(yán)重缺陷，因此需要通過(guò)分析鈦合金相變規(guī)律，基于有限元分析缺陷產(chǎn)生的原因，得到優(yōu)化參數(shù)，從而指導(dǎo)后續(xù)試驗(yàn)開展，提高工件質(zhì)量。

有限元設(shè)置需要考慮參數(shù)設(shè)置，擠壓過(guò)程中坯料與相對(duì)較冷的模具相互接觸，兩者之間溫差大，熱交換速度快,存在一定的激冷效應(yīng),使坯料溫度迅速降低。坯料表面還會(huì)以熱輻射的方式向環(huán)境中傳遞熱量。熱傳導(dǎo)對(duì)坯料溫度的影響遠(yuǎn)大于熱輻射[10]，因此模擬過(guò)程中只考慮坯料與模具之間的熱交換。

在3D建模軟件SolidWorks中對(duì)鍛模和坯料進(jìn)行建模,導(dǎo)入有限元軟件Deform進(jìn)行擠壓模擬,其中Deform擠壓模擬參數(shù)設(shè)置見表2。鍛模設(shè)置為剛體，上模和下模形狀規(guī)則，網(wǎng)格劃分少;下模墊塊內(nèi)壁形狀復(fù)雜，壁面多圓角，網(wǎng)格尺寸小，能與坯料更好貼合，保證計(jì)算穩(wěn)定性;坯料為塑性體，整個(gè)擠壓過(guò)程變形大，四面體網(wǎng)格數(shù)量為250000，最小網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.8mm。

表2 Deform擠壓模擬參數(shù)設(shè)置

2.3 TA15鈦合金殼體擠壓開裂有限元分析

(1)溫度分析熱擠壓過(guò)程中工件開裂主要發(fā)生在擠壓處與擠壓后工件薄壁處，在擠壓處選取P1、P2、P3共3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度追蹤分析并導(dǎo)出溫度變化曲線，如圖2所示。坯料與墊塊接觸處溫降為360℃，坯料與下模接觸處溫降為300℃。坯料中心區(qū)域受擠壓熱影響，在擠壓過(guò)程中溫度持續(xù)升高，最高接近1000℃，此時(shí)坯料中心區(qū)域與坯料表面溫度差最大為400℃。坯料持續(xù)受到擠壓，坯料與下模接觸處逐漸升溫，但持續(xù)的熱交換使此處溫度仍大幅低于坯料中心區(qū)域溫度。由于鈦合金的導(dǎo)熱性差，坯料表面溫度下降大，因此使坯料表面的溫度遠(yuǎn)低于TA15鈦合金的最低相變溫度985℃。坯料與模具接觸的表面與其內(nèi)部的溫度差大，材料流動(dòng)受阻，容易與模具發(fā)生黏結(jié)，附加拉應(yīng)力使成形工件產(chǎn)生裂紋。分析工件薄壁處溫度分布(見圖3)，薄壁處表面與內(nèi)部溫度差達(dá)到了150℃。在熱擠壓過(guò)程中，坯料各處較大的溫度變化會(huì)影響工件的最后成形質(zhì)量，造成裂紋、褶皺等缺陷。

(2)材料流速分析選取工件橫截面外側(cè)到內(nèi)側(cè)20個(gè)均布點(diǎn)分析材料變形速度的變化，如圖4所示。在擠壓過(guò)程中，坯料的內(nèi)外表面與模具接觸，致使表面溫度較坯料中心區(qū)域更低。溫度的降低會(huì)影響材料的流動(dòng)速度。在擠壓過(guò)程中，擠壓處薄壁中心區(qū)域材料流速可達(dá)到32mm/s以上，表面溫度較低處材料流速僅為4mm/s,材料流速差導(dǎo)致擠壓時(shí)變形不均勻，產(chǎn)生變形抗力梯度，出現(xiàn)材料分層，使工件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致工件產(chǎn)生微小裂紋。

(3)等效應(yīng)力分析在熱擠壓過(guò)程中，坯料受到?jīng)_頭和模具的作用，處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在坯料與下模接觸處和坯料與上模接觸棱角處，如圖5所示。該處的坯料與模具不斷進(jìn)行熱交換，溫度降低快，導(dǎo)致變形抗力增加，成形難度變大，棱角處受到的等效應(yīng)力可達(dá)998MPa，超過(guò)TA15鈦合金的屈服強(qiáng)度855MPa。持續(xù)高于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力會(huì)增加材料內(nèi)部缺陷，最終可能導(dǎo)致裂紋甚至斷裂，且過(guò)大的應(yīng)力會(huì)在材料內(nèi)部留下較大的殘余應(yīng)力，從而影響產(chǎn)品的使用壽命和性能。

3工藝優(yōu)化模擬

由上述分析可知，坯料表面溫度與中心溫度差過(guò)大是成形質(zhì)量差的主要原因。為了優(yōu)化擠壓工藝，采用預(yù)熱態(tài)擠壓工藝，在擠壓前用工藝料對(duì)模具進(jìn)行兩次預(yù)熱，使模具與坯料溫差減小，熱量交換減弱。加入傳熱系數(shù)低的玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑，減少熱量交換，同時(shí)降低了摩擦因數(shù)。優(yōu)化模擬參數(shù)設(shè)置見表3。

表3優(yōu)化模擬參數(shù)設(shè)置

在模擬一次擠壓工藝料后，模具溫度略有提升，連續(xù)兩次擠壓工藝料后，可以發(fā)現(xiàn)模具的溫度已經(jīng)顯著提高。擠壓工藝件模具預(yù)熱情況如圖6所示。

3.1改進(jìn)后溫度分析

保留模具溫度，并涂抹傳熱系數(shù)低的玻璃潤(rùn)滑劑進(jìn)行擠壓。降低內(nèi)外邊界熱導(dǎo)率，傳熱系數(shù)調(diào)整至4500W/(m2.K)，減小摩擦因數(shù)，其余參數(shù)不變。改進(jìn)后擠壓過(guò)程中擠壓處溫度變化如圖7所示。從圖7可看出，坯料與模具接觸處熱交換導(dǎo)致溫度降低，此時(shí)溫度低于改進(jìn)前的擠壓模擬溫度，擠壓處兩側(cè)與中心溫度差得到改善。工件最大溫度差控制在200℃以內(nèi)。改進(jìn)后擠壓薄壁處溫度差如圖8所示。從圖8可看出，工件薄壁處的溫度差縮小到100℃，溫度差減小，有助于提高工件成形質(zhì)量。

3.2改進(jìn)后材料流速分析

對(duì)改進(jìn)后的材料流動(dòng)速度進(jìn)行分析。從部件橫截面外側(cè)到內(nèi)側(cè)隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)，其薄壁處材料流速變化如圖9所示。由圖9可知，擠壓處不同位置的材料流速差距較小，且隨著擠壓不斷進(jìn)行，材料流速仍穩(wěn)定在30mm/s左右。穩(wěn)定的流速降低了材料的變形抗力梯度。

3.3改進(jìn)后等效應(yīng)力分析

等效應(yīng)力分布如圖10所示。從圖10a可看出，未添加潤(rùn)滑時(shí),坯料擠壓到凹模墊塊定徑帶形狀變化大，坯料等效應(yīng)力比潤(rùn)滑條件下更大，在棱角處等效應(yīng)力超過(guò)400MPa，不利于擠壓獲得良好成形質(zhì)量。

從圖10b可看出，改進(jìn)后的等效應(yīng)力出現(xiàn)在坯料與下模接觸處和坯料與上模接觸棱角處，在擠壓過(guò)程中，坯料表面溫降小，整體溫度較為均勻，棱角處的等效應(yīng)力在整個(gè)坯料中最大，不超過(guò)400MPa，遠(yuǎn)低于TA15鈦合金屈服強(qiáng)度(855MPa)，能夠有效降低出現(xiàn)表面裂紋與部件內(nèi)部出現(xiàn)缺陷的可能性。

3.4不同擠壓速度分析

由于TA15鈦合金高溫成形存在相變，因此若溫度控制不當(dāng)，則對(duì)擠壓成形質(zhì)量有很大影響[11]。不同擠壓速度下成形件溫度對(duì)比如圖11所示。從圖11可看出，當(dāng)擠壓速度為10mm/s時(shí)，成形件薄壁處溫度降至800℃以下;底面降溫更大，溫度為520℃。此時(shí)鈦合金坯料的塑性很差，不適合繼續(xù)擠壓。試驗(yàn)擠壓速度為30mm/s時(shí)，成形件薄壁處溫度維持在920℃，整個(gè)壁面四周溫度均勻、溫降少。底面只有外表面接觸部分降溫至590℃，內(nèi)里降溫小，仍然具有較好的成形性能。

4、試驗(yàn)驗(yàn)證

參考有限元優(yōu)化方式，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)。擠壓前對(duì)模腔進(jìn)行預(yù)熱，作為模具預(yù)熱擠壓的工藝料出現(xiàn)裂紋，成形質(zhì)量不佳，表明成形溫度低無(wú)法擠壓得到符合要求的部件。將機(jī)油與石墨混合而成的潤(rùn)滑劑涂抹在模腔表面。在坯料表面均勻地涂抹由玻璃粉和碎鋸末組成的潤(rùn)滑劑。擠壓成形后進(jìn)行脫模，得到的工件形貌如圖12所示。由圖12可知，工件內(nèi)外表面成形質(zhì)量良好，個(gè)別位置有少量劃傷;工件頭部部分方角處存在少量裂紋，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)多為表面裂紋，不影響零件整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械加工后未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，滿足工件使用要求。

5、結(jié)束語(yǔ)

1)改進(jìn)后的試驗(yàn)中通過(guò)多次擠壓工藝料提高了模具的初始溫度，改善了由于TA15鈦合金熱導(dǎo)率低導(dǎo)致的熱擠壓過(guò)程中坯料表面與中心溫度差過(guò)大的問(wèn)題，將其溫度差控制在200℃以內(nèi)。擠壓過(guò)程中坯料表面溫度接近相變溫度，材料塑性提高，流動(dòng)均勻性改善，變形抗力減小，殼體表面裂紋問(wèn)題得到解決。

2)熱擠壓中使用的玻璃潤(rùn)滑劑減小了模具與坯料之間的摩擦因數(shù)，還降低了兩者間的傳熱系數(shù)。改進(jìn)工藝后坯料在熱擠壓過(guò)程中的等效應(yīng)力不超過(guò)400MPa，成形薄壁處材料的流動(dòng)速度更均勻。依據(jù)數(shù)值模擬改進(jìn)試驗(yàn)工藝參數(shù)，得到的殼體表面質(zhì)量好、無(wú)裂紋。

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（注，原文標(biāo)題：TA15鈦合金殼體擠壓開裂產(chǎn)生機(jī)理及工藝優(yōu)化_王騰）