近α型TA15钛合金壳体热挤压成形质量提升机制研究——结合试验与有限元模拟，解析相变温度下坯料表面与中心温差异常导致的黏结裂纹缺陷，通过模具预热玻璃润滑剂应用及参数优化，实现成形性能改善

1、序言

钛合金具有高比强度、高热强度、密度小以及耐蚀性好等优点，被广泛应用于航空航天、石油化工和生物医学等领域[1−3]。TA15作为一种高铝含量近a型钛合金，展现出优异的抗蠕变性能和良好的耐蚀性，使其能够长期工作的最高使用温度可达500~550℃[4,5]，因此被广泛应用于发动机箱体、承力隔框、气道栅格罩和中央机翼下壁等，确保飞行器上的重要结构件能在高温、承力复杂的环境下长期服役[6]。

TA15钛合金的相变温度为985~995℃，当处于相变温度以下时，钛合金的结构为密排六方晶格(α-Ti)，其强度高、塑性差;当处于相变温度以上时，其结构变为体心立方晶格(β-Ti)，耐热性较差，但工艺塑性较好[7, 8]。相变温度的存在加大了TA15钛合金壳体热挤压成形的难度。

在热挤压过程中，TA15钛合金的变形机制及组织演化均很复杂[9]。坯料表面与模具进行热交换导致表面温度降低，坯料内部持续的变形使温度升高，坯料表面和内部会产生温度差。不均匀的温度分布使坯料的变形抗力产生明显梯度，最终导致在挤压过程中组织和性能的不均匀。在宏观上表现为工件上会出现裂纹、形变等缺陷。

本文通过数值模拟与试验相结合的方法，改进TA15钛合金壳体热挤压试验工艺参数，提高热挤压模具内表面的初始温度;使用传热系数低的玻璃润滑剂，壳体薄壁处温度差减小，避免了开裂缺陷。

2、热挤压工艺试验与有限元分析

2.1热挤压试验

试验材料为87mm×68mm×155mm的长方体TA15钛合金铸态坯料，其化学成分见表1。热挤压模具由上模、下模垫块和下模组成，如图1a所示。挤压时上模下压，可将坯料挤压成外部边缘为方形、内部空腔为圆形的薄壁长方体部件。试验件制备过程为:首先将马弗炉温预热至980℃，后将坯料放入炉内加热1h。挤压前30min阶段将加热丝放入模腔内加热模具，将模具加热至300℃左右后，再将坯料从炉中取出放入模腔内，采用液压机挤压至合模，保持2s后取出部件。经检查发现整个试验品产生了严重的鱼鳞龟裂纹与形变，如图1b所示。

表1 TA15钛合金化学成分(质量分数)(%)

2.2有限元参数设置

由于热挤压试验件存在严重缺陷，因此需要通过分析钛合金相变规律，基于有限元分析缺陷产生的原因，得到优化参数，从而指导后续试验开展，提高工件质量。

有限元设置需要考虑参数设置，挤压过程中坯料与相对较冷的模具相互接触，两者之间温差大，热交换速度快,存在一定的激冷效应,使坯料温度迅速降低。坯料表面还会以热辐射的方式向环境中传递热量。热传导对坯料温度的影响远大于热辐射[10]，因此模拟过程中只考虑坯料与模具之间的热交换。

在3D建模软件SolidWorks中对锻模和坯料进行建模,导入有限元软件Deform进行挤压模拟,其中Deform挤压模拟参数设置见表2。锻模设置为刚体，上模和下模形状规则，网格划分少;下模垫块内壁形状复杂，壁面多圆角，网格尺寸小，能与坯料更好贴合，保证计算稳定性;坯料为塑性体，整个挤压过程变形大，四面体网格数量为250000，最小网格长度为0.8mm。

表2 Deform挤压模拟参数设置

2.3 TA15钛合金壳体挤压开裂有限元分析

(1)温度分析热挤压过程中工件开裂主要发生在挤压处与挤压后工件薄壁处，在挤压处选取P1、P2、P3共3个点进行温度追踪分析并导出温度变化曲线，如图2所示。坯料与垫块接触处温降为360℃，坯料与下模接触处温降为300℃。坯料中心区域受挤压热影响，在挤压过程中温度持续升高，最高接近1000℃，此时坯料中心区域与坯料表面温度差最大为400℃。坯料持续受到挤压，坯料与下模接触处逐渐升温，但持续的热交换使此处温度仍大幅低于坯料中心区域温度。由于钛合金的导热性差，坯料表面温度下降大，因此使坯料表面的温度远低于TA15钛合金的最低相变温度985℃。坯料与模具接触的表面与其内部的温度差大，材料流动受阻，容易与模具发生黏结，附加拉应力使成形工件产生裂纹。分析工件薄壁处温度分布(见图3)，薄壁处表面与内部温度差达到了150℃。在热挤压过程中，坯料各处较大的温度变化会影响工件的最后成形质量，造成裂纹、褶皱等缺陷。

(2)材料流速分析选取工件横截面外侧到内侧20个均布点分析材料变形速度的变化，如图4所示。在挤压过程中，坯料的内外表面与模具接触，致使表面温度较坯料中心区域更低。温度的降低会影响材料的流动速度。在挤压过程中，挤压处薄壁中心区域材料流速可达到32mm/s以上，表面温度较低处材料流速仅为4mm/s,材料流速差导致挤压时变形不均匀，产生变形抗力梯度，出现材料分层，使工件结构强度降低，最终导致工件产生微小裂纹。

(3)等效应力分析在热挤压过程中，坯料受到冲头和模具的作用，处于三向压应力状态。等效应力最大值出现在坯料与下模接触处和坯料与上模接触棱角处，如图5所示。该处的坯料与模具不断进行热交换，温度降低快，导致变形抗力增加，成形难度变大，棱角处受到的等效应力可达998MPa，超过TA15钛合金的屈服强度855MPa。持续高于屈服强度的应力会增加材料内部缺陷，最终可能导致裂纹甚至断裂，且过大的应力会在材料内部留下较大的残余应力，从而影响产品的使用寿命和性能。

3工艺优化模拟

由上述分析可知，坯料表面温度与中心温度差过大是成形质量差的主要原因。为了优化挤压工艺，采用预热态挤压工艺，在挤压前用工艺料对模具进行两次预热，使模具与坯料温差减小，热量交换减弱。加入传热系数低的玻璃防护润滑剂，减少热量交换，同时降低了摩擦因数。优化模拟参数设置见表3。

表3优化模拟参数设置

在模拟一次挤压工艺料后，模具温度略有提升，连续两次挤压工艺料后，可以发现模具的温度已经显著提高。挤压工艺件模具预热情况如图6所示。

3.1改进后温度分析

保留模具温度，并涂抹传热系数低的玻璃润滑剂进行挤压。降低内外边界热导率，传热系数调整至4500W/(m2.K)，减小摩擦因数，其余参数不变。改进后挤压过程中挤压处温度变化如图7所示。从图7可看出，坯料与模具接触处热交换导致温度降低，此时温度低于改进前的挤压模拟温度，挤压处两侧与中心温度差得到改善。工件最大温度差控制在200℃以内。改进后挤压薄壁处温度差如图8所示。从图8可看出，工件薄壁处的温度差缩小到100℃，温度差减小，有助于提高工件成形质量。

3.2改进后材料流速分析

对改进后的材料流动速度进行分析。从部件横截面外侧到内侧随机选择3个点，其薄壁处材料流速变化如图9所示。由图9可知，挤压处不同位置的材料流速差距较小，且随着挤压不断进行，材料流速仍稳定在30mm/s左右。稳定的流速降低了材料的变形抗力梯度。

3.3改进后等效应力分析

等效应力分布如图10所示。从图10a可看出，未添加润滑时,坯料挤压到凹模垫块定径带形状变化大，坯料等效应力比润滑条件下更大，在棱角处等效应力超过400MPa，不利于挤压获得良好成形质量。

从图10b可看出，改进后的等效应力出现在坯料与下模接触处和坯料与上模接触棱角处，在挤压过程中，坯料表面温降小，整体温度较为均匀，棱角处的等效应力在整个坯料中最大，不超过400MPa，远低于TA15钛合金屈服强度(855MPa)，能够有效降低出现表面裂纹与部件内部出现缺陷的可能性。

3.4不同挤压速度分析

由于TA15钛合金高温成形存在相变，因此若温度控制不当，则对挤压成形质量有很大影响[11]。不同挤压速度下成形件温度对比如图11所示。从图11可看出，当挤压速度为10mm/s时，成形件薄壁处温度降至800℃以下;底面降温更大，温度为520℃。此时钛合金坯料的塑性很差，不适合继续挤压。试验挤压速度为30mm/s时，成形件薄壁处温度维持在920℃，整个壁面四周温度均匀、温降少。底面只有外表面接触部分降温至590℃，内里降温小，仍然具有较好的成形性能。

4、试验验证

参考有限元优化方式，对试验方法进行改进。挤压前对模腔进行预热，作为模具预热挤压的工艺料出现裂纹，成形质量不佳，表明成形温度低无法挤压得到符合要求的部件。将机油与石墨混合而成的润滑剂涂抹在模腔表面。在坯料表面均匀地涂抹由玻璃粉和碎锯末组成的润滑剂。挤压成形后进行脱模，得到的工件形貌如图12所示。由图12可知，工件内外表面成形质量良好，个别位置有少量划伤;工件头部部分方角处存在少量裂纹，经无损检测后发现多为表面裂纹，不影响零件整体的结构强度。对工件进行机械加工后未发现明显裂纹，满足工件使用要求。

5、结束语

1)改进后的试验中通过多次挤压工艺料提高了模具的初始温度，改善了由于TA15钛合金热导率低导致的热挤压过程中坯料表面与中心温度差过大的问题，将其温度差控制在200℃以内。挤压过程中坯料表面温度接近相变温度，材料塑性提高，流动均匀性改善，变形抗力减小，壳体表面裂纹问题得到解决。

2)热挤压中使用的玻璃润滑剂减小了模具与坯料之间的摩擦因数，还降低了两者间的传热系数。改进工艺后坯料在热挤压过程中的等效应力不超过400MPa，成形薄壁处材料的流动速度更均匀。依据数值模拟改进试验工艺参数，得到的壳体表面质量好、无裂纹。

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（注，原文标题：TA15钛合金壳体挤压开裂产生机理及工艺优化_王腾）