TC4鈦合金是一種典型的（α+β) 型鈦合金,其名義成分為Ti-6Al-4V, 因比強(qiáng)度高和抗腐蝕性較好 ，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船艦、電力等工業(yè)領(lǐng)域 ，作為相關(guān)重要裝備核心零部件的結(jié)構(gòu)材料。為了保證零件的力學(xué)性能與尺寸穩(wěn)定性，通常采用應(yīng)用較為廣泛的非等溫鍛造工藝對(duì)其進(jìn)行加工[1-3]。然而，TC4鈦合金具有導(dǎo)熱性能較差、鍛造溫度范圍窄、應(yīng)變速率敏感等特點(diǎn)，屬于典型的難加工材料 ，極大地增加了鍛造的加工難度，導(dǎo)致鍛件易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會(huì)嚴(yán)重影響工件的使用性能和壽命：在制造過程中，殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生變形、開裂等工藝缺陷，并降低工件強(qiáng)度以及產(chǎn)品合格率；在服役過程中，殘余應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響工件的疲勞強(qiáng)度、靜力強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕等力學(xué)性能，以及尺寸穩(wěn)定性，會(huì)降低工件的服役可靠性，對(duì)裝備的安全性造成嚴(yán)重威脅[4-6]。
目前，針對(duì)鍛件殘余應(yīng)力的研究大多集中于熱處理工藝參數(shù)的調(diào)控方面，以此達(dá)到減少殘余應(yīng)力和改善殘余應(yīng)力分布的目的[7-9]。然而，就目前的熱處理技術(shù)而言，不可能完全消除鍛件的殘余應(yīng)力，很多鍛件在進(jìn)行下一道工序之前，會(huì)由于殘余應(yīng)力的釋放而引起鍛件變形或者開裂，甚至在鍛件經(jīng)過后續(xù)加工與熱處理并最終生產(chǎn)為合格零件時(shí)，零件內(nèi)部仍然有部分殘余應(yīng)力是來自于鍛件的殘余應(yīng)力[10-11]。因此，迫切需要開展非等溫鍛造關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金鍛件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律的研究。本文主要結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)修正仿真模型，確保仿真精度，采用修正后的仿真模型分析了鍛件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律以及變形溫度、變形程度、變形速度對(duì) TC4鈦合金鍛件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為生產(chǎn)實(shí)際提供一定的指導(dǎo)作用。
1、有限元模型的建立
1.1 鍛造模擬分析
由于TC4鈦合金的化學(xué)活性很強(qiáng)，當(dāng)坯料溫度達(dá) 到 800℃以上時(shí)，表面氧化膜會(huì)因高溫而分解，失去保護(hù)作用。此時(shí)，暴露在空氣中的坯料會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成硬度高、塑性低的富氧α層 ，其會(huì)使鈦合金在繼續(xù)變形或者受力時(shí)發(fā)生表面開裂，影響鍛件合格率[12]。所以，為了保證鍛件質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，從加熱爐中取出坯料到開始鍛造
之間的時(shí)間間隔會(huì)嚴(yán)格控制在15 s 以內(nèi)，而在這段時(shí)間內(nèi)，坯料涉及到空氣傳熱過程，以及坯料與下模傳熱過程，存在溫度損失。因此，為了盡量使數(shù)值模擬與生產(chǎn)實(shí)際相符合，在進(jìn)行TC4鈦合金非等溫鍛造及鍛件殘余應(yīng)力仿真過程中，不僅要模擬鍛造變形過程與鍛后卸載冷卻過程，還要模擬前期的空氣傳熱過程以及坯料與下模傳熱過程，具體的模
擬過程如下：
( 1 )空氣傳熱過程：模擬坯料從加熱爐轉(zhuǎn)移到下模具階段的空氣傳熱過程，設(shè)定坯料在空氣中的移動(dòng)時(shí)間為10s ;
( 2 )坯料與下模傳熱過程：模擬坯料轉(zhuǎn)移至下模具臺(tái)面后，在進(jìn)行鍛造之前的下模傳熱過程，設(shè)定坯料在下模具臺(tái)面上的停留時(shí)間為2s;
( 3 )鍛造變形過程：模擬坯料在上、下模具作用下發(fā)生塑性變形的過程；
( 4 )鍛后卸載冷卻過程：模擬坯料鍛造完成后 ，離開下模具，在空氣中冷卻至室溫的過程。鍛件冷卻至室溫后，仍然存在于內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力，即為鍛件殘余應(yīng)力。
1.2 仿真模型的建立
采 用 Deform-3D 有限元軟件，對(duì)非等溫鍛造下TC4鈦合金鍛件的殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬。由于鍛件殘余應(yīng)力的模擬涉及到卸載和材料的彈塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化問題，因此，采用彈塑性有限元法進(jìn)行仿真分析。
將坯料定義為彈塑性體，將模具定義為剛性體 ，由于坯料與模具之間，以及坯料與空氣之間存在溫度差，建立仿真模型時(shí)還需考慮坯料與模具之間的熱傳導(dǎo)、坯料與空氣之間的熱對(duì)流以及坯料的熱輻射等仿真控制參數(shù)，其熱量傳遞的示意圖如圖1所示。
仿真控制參數(shù)的設(shè)置直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性 ，因此，本文結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)非等溫鍛造后TC4鈦合金鍛件的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。首先 ，進(jìn)行鍛造實(shí)驗(yàn)與鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)際鍛件殘余應(yīng)力，具體實(shí)驗(yàn)過程如圖2 所示。以物理實(shí)驗(yàn)檢測(cè)所得的鍛件殘余應(yīng)力為分析依據(jù) ，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的仿真模擬，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差，調(diào)整仿真控制參數(shù)，直至仿真所得殘余應(yīng)力盡可能地接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量的殘余應(yīng)力值，建立更加準(zhǔn)確的有限元分析模型，所得具體的模擬參數(shù)如 表 1 所示。
1.3 模擬結(jié)果分析
為了直觀地展現(xiàn)TC4鈦合金鍛件殘余應(yīng)力的演化規(guī)律，現(xiàn) 根 據(jù) 工 程 實(shí) 際 選 取 1 組鍛造工藝參數(shù)(變形溫度為925℃ 、變形程度為50% 、變形速度為100mm.s-1 )進(jìn)行仿真分析，分別截取該工藝參數(shù)下坯料的X、 Y、Z3向殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖 3a、圖 3b 和圖 3c 所示，并沿鍛件中心軸線方向自上而下，每 隔5mm均勻取點(diǎn)，展示不同深度下鍛件殘余應(yīng)力的分布圖，如圖3d 所示。
規(guī)定圖3 中的正值為拉應(yīng)力、負(fù)值為壓應(yīng)力。從圖3a、圖 3b 和圖 3d 可以看出，鍛件在X 向與Y向上的殘余應(yīng)力分布特征基本類似，均關(guān)于軸線中心呈對(duì)稱分布，且分布不均，在中心軸線方向上，表層殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力、心部殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，從表層至心部，殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力,且在中心處應(yīng)力較為集中；從 圖 3c 和圖3d 可以看出，鍛件在Z 向上的殘余應(yīng)力大部分分布較為均勻，且明顯小于尤與F 向上的殘余應(yīng)力。
2、影響鍛件殘余應(yīng)力的關(guān)鍵工藝參數(shù)分析
2.1 單因素分析方案的確定
為了進(jìn)一步地探究TC4鈦合金在塑性成形過程中各鍛造工藝參數(shù)對(duì)鍛件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，本節(jié)根據(jù)TC4鈦合金的相變溫度 （985℃ )、鍛造方法 、允許的鍛造變形程度以及變形速度敏感程度等特點(diǎn)，確定單因素分析方案，如 表 2 所示。分析變形溫度、變形程度、變形速度3 個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金鍛件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。
2.2 變形溫度對(duì)鍛件殘余應(yīng)力的影響
取變形程度為50 % 、 變形速度為100mm.s-1模 擬 不 同 變 形 溫 度 （ 925、950、975、1 0 0 0 和1025℃ ) 下 TC4鈦合金鍛件的殘余應(yīng)力，分析變形溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。沿鍛件中心軸線方向自上而下取若干跟蹤點(diǎn)，得到鍛件在跟蹤點(diǎn)處X、Y、Z的 3 向殘余應(yīng)力和等效殘余應(yīng)力，如 圖 4a、圖 41)、圖4c?和圖4(1所示，鍛件全局內(nèi)的最大等效殘余應(yīng)力、最小等效殘余應(yīng)力、平均等效殘余應(yīng)力如圖4e 所示。
從圖4 中可以看出：對(duì)比追蹤點(diǎn)處的鍛件殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，隨著變形溫度的升高，鍛件殘余應(yīng)力不斷下降，波動(dòng)幅度逐漸變小，且當(dāng)變形溫度高于相變溫度時(shí)，鍛件殘余應(yīng)力更小，說明提高變形溫度能降低鍛件殘余應(yīng)力、改善殘余應(yīng)力分布;對(duì)比整體等效殘余應(yīng)力的變化，所得結(jié)論與之一致。這是因?yàn)椋鹤?形 溫 度 升 高 ，鍛件塑性成形能力隨之提高，變形抗力降低，改善了變形均勻性。
因此，選擇變形溫度時(shí)，為 了 減 小 殘 余 應(yīng) 力 ，結(jié)合 TC4鈦合金相變特性，在一定范圍內(nèi)應(yīng)盡量提高變形溫度。
2.3 變形程度對(duì)鍛件殘余應(yīng)力的影響
取變形溫度為925 T；、變形速度為100mm.s-1，模 擬 不 同 變 形 程 度 （30% 、40% 、50% 、60 % 和70% ) 下鍛件的殘余應(yīng)力，分析變形程度對(duì)鍛件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。沿鍛件中心軸線方向自上而下取若干跟蹤點(diǎn)，得 到 鍛 件 在 跟 蹤 點(diǎn) 處 X、Y、Z的 3 向殘余應(yīng)力和等效殘余應(yīng)力，如 圖 5a、圖5b、圖 5c 和圖5d 所示，鍛件全局內(nèi)最大等效殘余應(yīng)力、最小等效殘余應(yīng)力、平均等效殘余應(yīng)力如圖 5e 所示。
從圖5 中可以看出：對(duì)比追蹤點(diǎn)處的鍛件殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，變形程度較小時(shí)，鍛件殘余應(yīng)力較小，隨著變形程度的增加，殘余應(yīng)力不斷上升，說明變形程度增加導(dǎo)致了鍛件殘余應(yīng)力上升；對(duì)比整體等效殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，增大變形程度，平均等效殘余應(yīng)力增加，而最大等效殘余應(yīng)力減小，最小等效殘余應(yīng)力增加，說明隨著變形程度的增加，鍛件整體等效殘余應(yīng)力增加，但殘余應(yīng)力分布的均勻性有所改善。這是因?yàn)椋鹤冃纬潭容^小時(shí)，TC4鈦合金鍛件的主要軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)回復(fù)，有利于減少殘余應(yīng)力；當(dāng)變形程度繼續(xù)增大，軟化機(jī)制轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加。因此，在選擇變形程度時(shí)，在保證細(xì)化組織的前提下，應(yīng)盡量減小變形程度。
2.4 變形速度對(duì)鍛件殘余應(yīng)力的影響
取變形溫度為925℃、變形程度為50% ，模擬不同 變 形 速 度 （0.1、1、10、100和1000mm.s-1)下鍛件的殘余應(yīng)力，分析變形速度對(duì)鍛件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。沿鍛件中心軸線方向自上而下取若干跟蹤點(diǎn)，得 到 鍛 件在跟蹤點(diǎn)處X、Y、Z 的 3向殘余應(yīng)力和等效殘余應(yīng)力，如 圖 6a、圖 6h、圖6c 和圖6d 所 示 ，鍛件全局內(nèi)最大等效殘余應(yīng)力、最小等效殘余應(yīng)力、平均等效殘余應(yīng)力如圖6e 所示。
從圖6 中可以看出：對(duì)比追蹤點(diǎn)處的鍛件殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形速度很小時(shí)，鍛件殘余應(yīng)力很大且分布極不均勻；隨著變形速度的增大，殘余應(yīng)力減小且分布不均勻的情況得到了改善，當(dāng)變形速度增加到一定范圍時(shí)，仍 能 降 低 殘 余 應(yīng) 力 ，但是效果減弱；對(duì)比整體等效殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，所得結(jié)論與之一致。這 是因?yàn)椋涸诜堑葴劐懺熳冃芜^程中，過低的變形速度會(huì)使鍛件在變形過程中因變形時(shí)間的延長而流失大量溫度，使變形大部分在低溫下進(jìn)行，增加了變形抗力，加劇了變形不均勻程度；隨著變形速度的增加，變形時(shí)間急劇縮短，變形溫度得到了保證，改善了變形均勻程度，但是，過高的變形速度會(huì)導(dǎo)致金屬變形熱效應(yīng)加劇，形成不均勻的溫度場(chǎng)，削弱了改善效果，且易產(chǎn)生過熱甚至過燒現(xiàn)象。因此，在選擇變形速度時(shí)，為了保證鍛件力學(xué)性能以及改善鍛件殘余應(yīng)力，變形速度不宜過高。
3、結(jié)論
(1) TC4鈦合金鍛件的徑向殘余應(yīng)力（即 X 和Y 向）分布特征類似，殘余應(yīng)力的分布關(guān)于中心軸線呈對(duì)稱性。但沿鍛件外表層到心部，殘余應(yīng)力的分布是不均勻的，接近外表層的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，接近心部的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，且在中心處應(yīng)力較為集中；而鍛件的軸向殘余應(yīng)力（Z 向）從上到下分布較為均勻。這表明要改善鍛件殘余應(yīng)力分布情況 ，可以在鍛造過程中采用中間凸、兩邊凹的V 形上砧。
( 2 )利用物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立和調(diào)控?cái)?shù)值模型，增強(qiáng)了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，確定了關(guān)鍵鍛造工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金鍛件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。隨著變形溫度的升高，鍛件殘余應(yīng)力逐漸減小；隨著變形程度的增加，鍛件整體殘余應(yīng)力增加，但殘余應(yīng)力分布的均勻性有所改善；隨著變形速度的增大，鍛件殘余應(yīng)力減小，當(dāng)變形速度增加到一定程度時(shí)，對(duì)殘余應(yīng)力的降低有影響，但效果不顯著。可以明確，變形溫度和變形程度對(duì)TC4鈦合金鍛件殘余應(yīng)力的影響較為顯著，是改善殘余應(yīng)力分布的主控參量。
( 3 )在綜合考慮鍛件性能和改善鍛件殘余應(yīng)力的情況下，適當(dāng)提高變形溫度和變形速度、減小變形程度對(duì)降低鍛件殘余應(yīng)力及提高生產(chǎn)效率具有積極的指導(dǎo)作用。
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