液压机与电动螺旋压力机成形条件下Ti-46531超高强钛合金复杂锻件多场演化规律及成形设备优选研究——针对亚稳β钛合金变形抗力大工艺窗口窄成形难度高的技术痛点，设计一体化典型结构模锻件完整工艺路线

随着航空装备的快速发展，航空金属材料面临着轻质高性能、长寿命和高环境适应性等迫切需求。钛合金作为近几十年发展的新型轻金属材料，具有比强度高、韧性好、损伤容限高、耐蚀性好和良好的可焊接等特性，在减轻飞机结构质量、提高结构效率、改善机体可靠性方面发挥了重要作用，已成为先进飞机的主要结构材料之一[1-5]。钛合金经历了从中低强度、中强度到高强度的发展历程，高强韧钛合金成为国内外航空钛合金的重要发展趋势,是先进飞机框梁、起落架部件、接头连接件等重要承力构件的理想材料。目前,Ti-1023、Ti-15-3、β-C、β-21S、BT22、TC21和Ti-5553等[6-10]具有代表性的高强韧钛合金已成功获得广泛应用。然而，上述高强钛合金应用于实际航空航天部件时，并未突破1250 MPa的强度水平。

近年来，随着航空航天工业对轻量化的需求越来越迫切，相关研究单位相继开展了1300 MPa级以及更高强度级别的超高强钛合金的研究工作[11-15],以期进一步提高结构效率，在保证安全、可靠的基础上实现更大程度的减重效果，获得更高的技术经济效益。

本文采用的是自主研制的一种新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr系多元强化亚稳β型超高强钛合金材料Ti-46531,其名义成分(质量分数)为:4%Al、5%Mo、6%V、3%Cr、1%Zr。准确获取Ti-46531钛合金的物理参数是进行数值模拟研究的前提，因此，通过试验测得了该材料不同温度下的比热容、导热系数和线膨胀系数等关键参数，如表1所示。从表1中可知，随着温度的提高，材料的比热容变化不大，但导热系数和线膨胀系数增长明显。此外，该材料的相转变点为820℃，室温密度为4690kg·m-3，泊松比为0.32。

Ti-46531钛合金是一种新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr系亚稳β型超高强钛合金，具有超高强度和良好的塑韧性，可实现较好的强韧性匹配。针对这种新型超高强钛合金，开展了材料塑性变形行为及典型模锻件锻造工艺模拟研究，并进行试验验证，具有重要的工程化应用价值。

表1 Ti-46531钛合金的物理性能参数

Table 1 Physical property parameters of Ti-46531 titanium alloy

在Gleeble-3800热模拟试验机上进行恒温、恒应变速率压缩试验，通过试验获得Ti-46531钛合金基于温度、应变速率和变形量的本构模型。β型钛合金一般在相变点以下20~50℃进行锻造，应变速率范围为0.001~1.0s^-1，因此，热压缩试验温度取为720、750、780、810、840、870和900℃，应变速率取为0.001、0.01、0.1和1.0s^-1。

Ti-46531钛合金在不同变形条件下测得的真应力-真应变曲线如图1所示。从图1中可知，流变应力随温度的升高而减小，随应变速率的升高而增大;应变速率和变形温度对流变应力影响较大。在同一应变速率条件下，700℃时的流变应力为900℃时的2~3倍;在同一温度条件下,应变速率为1.0s  −1时的流动应力为0.001s~1时的3~5倍。Ti-46531钛合金流动应力对变形温度、应变速率的高度敏感性增加了锻件成形难度。

2、锻造工艺方案

Ti-46531钛合金典型锻件结构如图2所示，锻件质量为8.0kg，外轮廓尺寸为447mm×117mm×74mm。锻件呈上下对称结构，对称面即为锻件轮廓最大投影面，因此，选择对称面作为锻件分模面;锻件左右两端环形结构外侧余量为5mm，中间腹板余量为10.5mm，其余部位余量为8mm;锻件拔模斜度为7°，中间凹槽凹圆角为20mm、凸圆角半径为8mm，其他部位凸圆角半径为5mm。

根据锻件结构和材料特性，制定的锻造工艺方案如图3所示。具体流程为:首先，完成圆形棒料下料，并对坯料两端进行倒角处理;然后，在锤锻机上快速制坯，制坯完成后对荒坯进行打磨排伤;最后，在8000t电动螺旋压力机或者5000t液压机上一火压制成形。

3、锻造模拟与分析

3.1模拟参数设置

电动螺旋压力机和液压机常用来成形难变形金属复杂锻件,两种成形设备在成形特性、控制方式和工艺适应性方面各有优劣。为确定Ti-46531钛合金典型锻件的最优成形设备,采用广泛应用于金属塑性成形领域的数值模拟技术,利用计算机模拟Ti-46531钛合金典型锻件在液压机、电动螺旋压力机上的成形过程，对比分析锻件充填性能、应变场和温度场等各项技术参数,从而确定合适的成形设备。

锻造模拟参数设置如表2所示。电动螺旋压力机和液压机的模拟参数设置基本相同，制坯后坯料进行重新加热,坯料始锻温度为 780℃;模具预热温度为350℃,坯料与模具之间的摩擦因数为0.3。液压机上模下压速度约为10mm·s⁻¹，为防止坯料温度降低过快，坯料一般采用保温材料包裹，因此坯料与模具的热交换系数为1N·(s·mm·℃)^-1。电动螺旋压力机成形时模具与坯料热交换系数为5N·(s·mm·℃)^-1，其成形速度由能量控制，具体运动参数设置见表3。

表2锻造模拟参数设置

Table 2 Simulation parameter setting of forging

表3 电动螺旋压力机运动参数设置

Table 3 Movement parameter setting of electric screw press

3.2模拟结果分析

模锻件成形过程如图4所示，图4a和图4b分别为液压机和电动螺旋压力机下短剑的成形过程。由图4中可知，坯料在模具中定位准确;随着上模向下运动，坯料两端同时与模具接触，坯料没有产生刚性移动，成形过程稳定;当上模继续向下运动，坯料上表面与上模型腔逐渐贴合，锻件各部分几乎同时成形，此时飞边刚刚产生;当上模欠压2mm时，锻件充填饱满、锻件飞边较小，材料利用率较高。综合分析锻件成形过程可知,锻件在液压机和电动螺旋压力机上的成形过程差异较小。

模锻完成后锻件的温度分布如图5所示(图5中直线为截面位置,图5a和图5b分别为液压机和电动螺旋压力成形时锻件的温度分布)。从图5可知，锻件飞边处温度较高,表面温度较低,中心温度变化较小。液压机成形时，锻件最低温度为456℃最高温度为845℃，电动螺旋压力机成形时，锻件最低温度为 783℃,最高温度为  1090 ∘C。对比两种设备成形时的锻件温度分布可以发现，液压机成形时，锻件本体温度由内向外依次降低，锻件表面温度降低至732℃以下，锻件中心温度升高至796℃以上，锻件本体温度主要集中在700~812℃之间，温度分布层次明显;电动螺旋压力机成形时，锻件温度不同程度的升高，锻件本体靠近飞边处，温度升高至885℃以上，锻件本体温度主要集中在780~840℃之间。整体而言，电动螺旋压力机上成形时，锻件本体的温度分布更加均匀。

模锻完成后锻件的等效应变分布如图6所示(图6中直线为截面位置)，图6a和图6b分别为液压机和电动螺旋压力成形时锻件的等效应变分布。从图6中可知，液压机成形时，锻件的最低等效应变为0.08，最高等效应变为19.900;电动螺旋压力机成形时，最低等效应变为0.12，最高等效应变为9.070。锻件飞边处等效应变较高，表面等效应变较低，中心区域等效应变为0.25~0.5。电动螺旋压力机成形时，等效应变场分布比液压机成形时更加均匀。

下模温度分布如图7所示，图7a和图7b分别为液压机和电动螺旋压力成形时的下模温度分布图。从图7中可知，液压机成形时，下模的最低温度为349℃、最高温度为619℃;电动螺旋压力成形时，下模的最低温度为349℃、最高温度为448℃。从模具温度分布趋势来看，液压机成形时，下模型腔温度均有不同程度的升高，平均升高约150℃;电动螺旋压力成形时，下模型腔温度升高幅度不大，仅型腔两端局部温度升高约100℃。模具温度是影响其使用寿命的重要因素之一，过高的模具温度会导致材料发生回火软化，加速蠕变变形，从而缩短其使用寿命。因此可以推测，采用电动螺旋压力机成形时，模具温度相对较低，有助于延长模具使用寿命。

锻件的成形载荷如图8所示，图8a和图8b分别为液压机和电动螺旋压力成形时锻件的载荷-时间曲线。由图8可知，液压机成形时，整个成形过程持续5.83s，最终成形载荷为4.0x104kN，电动螺旋压力机成形时，整个成形过程持续0.16s，最大成形载荷为6.1x104kN。电动螺旋压力机成形时间极短,但成形载荷较液压机高约50%。

对比Ti-46531钛合金典型锻件在液压机、电动螺旋压力机上的成形过程可以发现:

(1)锻件充填过程几乎相同，最终均能充填饱满;

(2)电动螺旋压力机上成形时，锻件温度场、等效应变场分布更加均匀;

(3)电动螺旋压力机上成形时,由于电动螺旋压力机成形速度较快,模具温升较低,因此模具使用寿命更长。考虑到以上因素，选择8000t电动螺旋压力机作为Ti-46531钛合金锻件的锻造的试验设备。

4、试验结果

典型锻件在8000t电动螺旋压力机上进行试验，试验结果如图9所示。由图9的实物锻件可知，锻件充填饱满，无折叠裂纹产生，证明了模拟结果的有效性。

5、结论

(1)通过试验获得了Ti-46531钛合金的比热容、导热系数、线膨胀系数等物理参数，获得了Ti-46531钛合金基于温度、应变速率和变形量的本构模型。

(2)设计了Ti-46531钛合金典型锻件及锻造工艺，借助数值模拟分析技术对比分析了Ti-46531钛合金典型锻件在液压机、电动螺旋压力机上的成形过程，确定了最优锻造设备为8000t电动螺旋压力机。

(3)在8000t电动螺旋压力机上进行了终锻试验，试验结果符合设计要求，锻件充填饱满，无折叠、裂纹等缺陷。

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（注，原文标题：Ti-46531钛合金及典型锻件锻造工艺模拟_刘运玺）