钛合金由于其优秀的比强度、抗腐蚀性能被广泛应用于飞机结构件的制造。Ti55531合金是一种新型高强高韧β型合金，其名义成分为Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr。此合金拥有良好的淬透性和较宽的加工工艺范围，特别适合制造必须承受巨大应力的零部件，比较适合用于结构件，起落架、机翼、发动机挂架之间的连接装置等。我司利用现有设备，针对Ti55531合金的性能特点开展了梁类锻件的试制，获得了外形尺寸合格、性能优良的高品质产品。
1、技术条件
图1所示为某型号飞机的梁类零件，力学性能要求如表1所示。此梁类零件由上、下椽条和腹板组成，上、下椽条以受拉、压的方式承受弯矩载荷，腹板则以受剪的方式传递切向载荷。该梁类零件为高筋薄腹板结构，壁板高度与厚度并不均匀，截面起伏大，是一种典型的难成形结构，材料为Ti55531钛合金。
表1 锻件力学性能要求
图1 零件示意图
2、技术路线
Ti55531钛合金梁类锻件的主要生产流程为：锻造(制坯→终锻)→性能热处理→理化检测→粗加工→超声波检测。
3、锻件原材料
毛坯选用西部超导材料科技股份有限公司提供的φ180mm规格的Ti55531棒材，化学成分如表2所示。
表2 原材料化学成分(%)
4、锻造工艺
（1）锻造工艺流程。
采用模锻工艺成形，先用自由锻成形出与零件尺寸接近的预制坯，如图2所示。此坯料可有效实现梁锻件不同区域初始体积的合理分配，获得良好的填充效果，避免折叠缺陷。锻造工艺包括制坯和模锻工序。
图2 预制坯
（2）模锻成形数值模拟。
为提高生产效率和节约生产成本，根据前期Ti55531合金锻件生产经验，锻件用DEFORM-3D进行了数值成形模拟分析。模拟具体参数如表3所示。
表3 有限元模拟过程参数
通过模锻成形模拟发现：当模锻采用仅一火锻造时，终锻温度过低，不满足工艺规范。通过多次迭代优化，最终确定模锻采用两火锻造。
1)模锻1火。
图3为终锻一火成形过程中的温度场和等效应变分布图。当压机压下量为86mm时，锻造压力为4500～5000t。温度分布：表面温降较快，心部温度较高，温度为750～825℃。等效应变分布：锻件本体变形量30%～40%。
图3 模锻一火模拟结果
2)模锻两火。
图4所示为终锻两火成形过程中的温度场和等效应变分布图。当压机压下量为35mm时，锻件充满情况良好，锻造压力为11800t。温度分布：温度为830～860℃，分布均匀。等效应变分布：锻件本体变形量40%～50%。通过数值模拟可知，采用模锻两火锻造，锻件充型良好，变形量适中，最终确定锻造工艺为制坯两火+模锻两火工序。
图4 模锻两火模拟结果
5、工艺试验及热处理
为检验最终锻件是否能够达到使用要求，分别试制梁锻件和肋锻件用于分析检测。梁锻件和肋锻件均采用常规两相区锻造，锻造温度为800℃，锻造设备为16MN快锻机。其中梁锻件代号为A1、A2，采用自由锻两火的方式成形，A1来料棒材规格φ180mm×530mm，A2来料棒材规格φ180mm×290mm。肋锻件代号为B1、B2，在16MN快锻机上采用自由锻三火的方式成形，B1来料棒材规格φ300mm×850mm，B2来料棒材规格φ300mm×650mm。两锻件锻造参数如表4所示。
表4 梁、肋锻件锻造参数
原材料交货时已经进行固溶时效处理，热处理制度为：790℃×2.5h/AC+610℃×8h/AC。为了保证零件的性能符合最终使用需求，对试制件重新进行热处理试验。对试制件分别进行固溶+时效处理和双重退火处理后，进行力学性能检测。固溶+时效处理工艺为：固溶温度790℃，时间2h；时效温度600℃，时间8h。双重退火工艺如下：一次退火温度860℃，退火1.5h后炉冷；二次退火温度560℃，退火8h后空冷。
性能检测项目如表5所示。试样在热处理后按照GB/T 228.1-2010加工成φ5mm×25mm的标准拉伸试样，然后在InStron 8802拉伸试验机上进行室温拉伸试验。冲击试验在JBN-300B冲击试验机上进行试验，试验按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》执行，试样加工成10mm×10mm×55mm的U形缺口试样。断裂韧度在MTS810型试验机上进行。金相试样在抛光后，用HF+HNO3+H2O(体积比为1:3:10)的混合腐蚀剂腐蚀后，在DMI5000M Leica光学显微镜下观察显微组织。
表5 试制梁、肋锻件试样检测项目
试制梁锻件β退火+时效和固溶+时效状态的力学性能对比如图5所示。β退火+时效状态锻件的抗拉强度为1198～1258MPa，屈服强度为1101～1164MPa，延伸率为8.5%～12.5%，断面收缩率为16%～23%，冲击韧度值为34～42J/cm2，断裂韧性为图片固溶+时效状态锻件的抗拉强度为1244～1252MPa，屈服强度为1193～1246MPa，延伸率为8.5%～16%，断面收缩率为20%～50%，冲击韧度值为20～46J/cm2，断裂韧性为图片
图5 试制梁锻件两种热处理状态的力学性能对比
肋锻件β退火+时效和固溶+时效状态的力学性能对比如图6所示。β退火+时效状态锻件的抗拉强度为1207～1252MPa，屈服强度为1114～1159MPa，延伸率为8%～11%，断面收缩率为14%～22%，冲击韧度值为30～37J/cm2，断裂韧性为图片固溶+时效状态锻件的抗拉强度为1253～1301MPa，屈服强度为1207～1252MPa，延伸率为6%～16%，断面收缩率为9%～46%，冲击韧度值为24～43J/cm2，断裂韧性为图片
图6 试制肋锻件两种热处理状态的力学性能对比
因两种状态取样位置相同，所以力学性能变化趋势基本相同。固溶+时效状态抗拉强度高于β退火+时效状态40～50MPa；固溶+时效状态屈服强度高于β退火+时效状态约90MPa；两种状态的延伸率、断面收缩率和冲击韧度值无明显趋势，固溶时效状态的三个方向延伸率、断面收缩率和冲击韧度值差异较大；β退火+时效状态断裂韧性高于固溶+时效状态。
随着航空航天技术的不断发展，飞机结构设计的理论在静强度、动强度、疲劳强度及断裂强度方面不断进化，目前损伤容限设计成为飞机结构设计的重要规范。断裂韧度可用来表征材料抵抗裂纹扩展的能力，为材料的损伤容限设计提供参考依据。由于锻件采用β退火+时效状态断裂韧性高于固溶+时效状态，因此最终选取β退火+时效作为锻件的最终热处理方式。
6、锻件试生产
锻件分别经过两火次制坯和两火次模锻生产，其锻件外形尺寸满足图纸要求。锻件每火次锻造成形情况与数值模拟情况基本一致。锻件每火次锻造工艺参数见表6。试生产锻件力学性能如表7所示，符合标准要求。
表6 锻件试生产锻造工艺参数
表7 试生产锻件力学性能
结束语
1、通过数值模拟技术对模锻成形过程进行不断地迭代优化，制定出两火次制坯和两火次模锻的工艺方案，锻件充型良好，变形量均匀。
2、试制锻件整体力学性能均匀，完全符合力学性能要求。锻件室温整体抗拉强度大于1150MPa，屈服强度大于1050MPa 。
3、对Ti55531钛合金锻件分别进行β退火+时效处理和固溶+时效处理，固溶+时效状态室温强度略高于β退火+时效状态；但β退火+时效状态断裂韧性高于固溶+时效状态，这对后续大型Ti55531合金锻件的试制生产研究有一定的指导意义。
（莫安军，王瑞麒，余胜峰，栗文强，曾菁·中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司）
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