1、序言

钛合金拥有高比强度、高热强度、密度幼以及耐蚀性好蹬着点，被宽泛利用于航空航天、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，展示出优异的抗蠕变机能和优良的耐蚀性，使其可能持久工作的最高使用温度可达500~550℃[4,5]，因而被宽泛利用于发起机箱体、承力隔框、气路栅格罩和中央机翼下壁等，确保飞行器上的沉要结构件能在高温、承力复杂的环境下持久服役[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钛合金的变形机造及组织演化均很复杂[9]。坯料表表与模具进行热互换导致表表温度降低，坯料内部持续的变形使温度升高，坯料表表和内部会产生温度差。不均匀的温度散布使坯料的变形抗力产生显著梯度，最终导致在挤压过程中组织和机能的不均匀。在宏观上阐发为工件上会出现裂纹、形变等缺点。

本文通过数值仿照与试验相结合的步骤，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表的初始温度;使用传热系数低的玻璃光滑剂，壳体薄壁处温度差减幼，预防了开裂缺点。

2、热挤压工艺试验与有限元分析

2.1热挤压试验

试验资料为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，可将坯料挤压成表部边缘为方形、内部空腔为圆形的薄壁长方体部件。试验件造备过程为: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，选取液压机挤压至合模，维持2s后取出部件。经查抄发现整个试验品产生了严沉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沉缺点，因而必要通过度析钛合金相变法规，基于有限元分析缺点产生的原因，得到优化参数，从而领导后续试验发展，提高工件质量。

有限元设置必要思考参数设置，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，热互换速度快,存在肯定的激冷效应,使坯料温度迅速降低。坯料表表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弘远于热辐射[10]，因而仿照过程中只思考坯料与模具之间的热互换。

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进行挤压仿照,其中Deform挤压仿照参数设置见表2。锻模设置为刚体，上模和下模状态规定，网格划分少;下模垫块内壁状态复杂，壁面多圆角，网格尺寸幼，能与坯料更好贴合，保障推算不变性;坯料为塑性体，整个挤压过程变形大，四面体网格数量为250000，最幼网格长度为0.8mm。

表2 Deform挤压仿照参数设置

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重要产生在挤压处与挤压后工件薄壁处，在挤压处拔取P1、P2、P3共3个点进行温度追踪分析并导出温度变动曲线，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℃。坯猜中心区域受挤压扰装响，在挤压过程中温度持续升高，最高靠近1000℃，此时坯猜中心区域与坯料表表温度差最大为400℃。坯料持续受到挤压，坯料与下模接触处逐步升温，但持续的热互换使此处温度仍大幅低于坯猜中心区域温度。由于钛合金的导热性差，坯料表表温度降落大，因而使坯料表表的温度远低于TA15钛合金的最低相变温度985℃。坯料与模具接触的表表与其内部的温度差大，资料流动碰壁，容易与模具产生黏结，附加拉应力使成形工件产生裂纹。分析工件薄壁处温度散布(见图3)，薄壁处表表与内部温度差达到了150℃。在热挤压过程中，坯料遍地较大的温度变动会影响工件的最后成形质量，造成裂纹、褶皱等缺点。

(2)资料流速分析拔取工件横截面表侧到内侧20个均布点分析资料变形速度的变动，如图4所示。在挤压过程中，坯料的内表表表与模具接触，以至表表温度较坯猜中心区域更低。温度的降低会影响资料的流动速度。在挤压过程中，挤压处薄壁中心区域资料流速可达到32mm/s以上，表表温度较低处资料流速仅为4mm/s,资料流速差导致挤压时变形不均匀，产生变形抗力梯度，出现资料分层，使工件结构强度降低，最终导致工件产生微幼裂纹。

(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。等效应力最大值呈此刻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休进行热互换，温度降低快，导致变形抗力增长，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长资料内部缺点，最终可能导致裂纹甚至断裂，且过大的应力会在资料内部留下较大的残存应力，从而影响产品的使用寿命和机能。

3工艺优化仿照

由上述分析可知，坯料表表温杜纂中心温度差过大是成形质量差的重要原因。为了优化挤压工艺，选取预热态挤压工艺，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幼，热量互换减弱。参与传热系数低的玻璃防护光滑剂，削减热量互换，同时降低了摩擦因数。优化仿照参数设置见表3。

表3优化仿照参数设置

在仿照一次挤压工艺料后，模具温度略有提升，陆续两次挤压工艺料后，能够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光滑剂进行挤压。降低内表天堑热导率，传热系数调整至4500W/(m2.K)，减幼摩擦因数，其余参数不变。改进后挤压过程中挤压处温度变动如图7所示。从图7可看出，坯料与模具接触处热互换导致温度降低，此时温度低于改进前的挤压仿照温度，挤压处两侧与中心温度差得到改善。工件最大温度差节造在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幼到100℃，温度差减幼，有助于提高工件成形质量。

3.2改进后资料流速分析

对改进后的资料流动速度进行分析。从部件横截面表侧到内侧随机选择3个点，其薄壁处资料流速变动如图9所示。由图9可知，挤压处罚歧地位的资料流速差距较幼，且随着挤压不休进行，资料流速仍不变在30mm/s左右。不变的流速降低了资料的变形抗力梯度。

3.3改进后等效应力分析

等效应力散布如图10所示。从图10a可看出，未增长光滑时,坯料挤压到凹模垫块定径带状态变动大，坯料等效应力比光滑前提下更大，在棱角处等效应力超过400MPa，不利于挤压获得优良成形质量。

从图10b可看出，改进后的等效应力呈此刻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，坯料表表温降幼，整体温度较为均匀，棱角处的等效应力在整个坯猜中最大，不超过400MPa，远低于TA15钛合金屈服强度(855MPa)，可能有效降低出现表表裂纹与部件内部出现缺点的可能性。

3.4分歧挤压速度分析

由于TA15钛合金高温成形存在相变，因而若温度节造不当，则对挤压成形质量有很大影响[11]。分歧挤压速度下成形件温度对好比图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，不适合持续挤压。试验挤压速度为30mm/s时，成形件薄壁处温度维持在920℃，整个壁面周围温度均匀、温降少。底面只有表表表接触部门降温至590℃，里面降温幼，依然拥有较好的成形机能。

4、试验验证

参考有限元优化方式，对试验步骤进行改进。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，成形质量欠安，批注成形温度低无法挤压得到切合要求的部件。将机油与石墨混合而成的光滑剂涂抹在模腔表表。在坯料表表均匀地涂抹由玻璃粉和碎锯末组成的光滑剂。挤压成形后进行脱模，得到的工件描摹如图12所示。由图12可知，工件内表表表成形质量优良，个别地位有少量划伤;工件头部部门方角处存在少量裂纹，经无损检测后发现多为表表裂纹，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显著裂纹，满足工件使用要求。

5、实现语

1)改进后的试验中通过屡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表与中心温度差过大的问题，将其温度差节造在200℃以内。挤压过程中坯料表表温度靠近相变温度，资料塑性提高，流动均匀性改善，变形抗力减幼，壳体表表裂纹问题得到解决。

2)热挤压中使用的玻璃光滑剂减幼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，成形薄壁处资料的流动速度更均匀。凭据数值仿照改进试验工艺参数，得到的壳体表表质量好、无裂纹。

参考文件:

[1]祝鹤，杨立新，卢影峰，等.钛合金挤压薄壁型材变曲率拉弯成形工艺[J].锻压技术，2024，49(9):68-74.

[2]黄旭，朱知寿，王红红.先进航空钛合金资料与利用[M].北京:国防工业出版社，2012.

[3]王庆娟，杜旭东，蒋立，等.退火处置对TC4钛合金航空发起机叶片组织与力学机能的影响[J].金属热处置，2024，49(10):126-132.

[4]罗登超，王云，李维.分歧工艺造备TA15钛合金管材[J].锻压技术，2022，47

[5]胡雨龙，刘晓燕，高飞龙，等.TA15钛合金室温等径弯曲通路挤压仿照与试验钻研[J].塑性工程学报，2022，29

[6]陈源，李淑慧，李永丰，等.TA15钛合金应力松弛行为宏微耦合本构建模[J].机械工程学报，2022，58(12):64-74.

[7]冀宣名，向嵩.TA15钛合金a→β相变温度的测定与分析[J].现代机械，2015

[8]张苗，孙梦奇，马佳琨，等.TA15钛合金中板组织与力学机能钻研[J].钛工业进展，2023，40(4):40-43.

[9]杨夏炜，朱景川，来忠红，等.TA15钛合金热挤压过程中金属变形行为及组织分析[J].罕见金属资料与工程，2011，40(5):797-801.

[10]王丽，刘咏，张伟，等.TiAl基合金热包覆铸造过程中温降的数值分析[J].粉末冶金资料科学与工程，2010，15(1):21-26.

[11]温钟淳，姜汇洋，关峰，等.基于JMatPro软件的TA15钛合金热物机能钻研[J].金属加工(热加工)，2025(7):111-116，121.

（注，原文标题：TA15钛合金壳体挤压开裂产朝气理及工艺优化_王腾）