TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-lMo-lV,属于高A1当量的近α型钛合金。该合金既拥有α型钛合金优良的热强性和可焊性，又拥有靠近于α+β型钛合金的工艺塑性，是一种综合机能良好迪胙合金[1],被宽泛用于造作高机能飞机的沉要构件。

对金属热加工过程进行数值仿照，可以为合理造订铸造工艺提供拥有科学和现实的领导意思。本文钻研了坯料尺寸、坯料转移功夫等对TA15钛合金模锻成形过程的影响，对造订合理的TA15钛合金模锻工艺提供借鉴。

1、试验资料与步骤

1.1试验资料

试验坯料为幼52mmTA15钛合金棒材，合金(3相变点为(995±5)°C，实测化学成分见表1。

沿棒材纵向取样检测力学机能(均值）如表2所示。

1.2试验步骤

本文钻研的TA15钛合金锻件和模具如图1所示，锻件长90mm，两端圆柱直径别离为幼50mm、(H2mm，锻件沿分模面投影面积为4091mm²,锻件体积为98042mm³,质量为436g。

凭据坯料填充模具飞边仓部的50%、60%、70%[2]来设计坯料体积,3种体积下的分歧坯料尺寸按锻件最大概括尺寸φ50mmx90mm进行等长度幼φ90mm和等直径φ50mmxL设计，另表再适当增长直径至φ52mm进行等直径φ52mmxL设计,9种仿照坯料尺寸如表3所示。

数值仿照重要参数为：①变形资料TA15钛合金p]，密度4.45g/cm3，泊松比0.39，弹性模量89GPa,比热容922J/(kg-K),热导率19.7W/(m.K);②变形体与周围空气间换热系数[41为16.5W/(m2.K),与模具接触面间换热系数为1450W/(m.K);③坯料加热温度955°C,环境温度20°C;④模具预热温度200°C,上模活动速度10mm/s;⑤坯料搁置要求棒材中心轴与分模面平行。

锻件的模锻成形过程仿照凭据现实铸造情况能够分化为以下三个阶段15]:①坯料转移过程仿照属热传导仿照，锻件坯料的转移过程，即坯料出炉后到搁置鄙人模上之间有10s的转移功夫，该过程中坯料和模具仅与表界环境产生热传导。②关模过程仿照属热传导仿照，高低模关模过程，即上模活动至与坯料接触之间有2s的功夫距离。这段功夫内坯料不只与表界空气环境产生热传导，并且也与下模产生热传导。③成形过程仿照属变形-传热耦合过程仿照，锻件坯料的铸造成形过程不仅产生坯料与空气、坯料与模具、模具与空气之间的热传导，并且还产生坯料自身的变形。

坯料和模具划分网格后如图2所示。

2、试验了局及会商

2.1数值仿照了局分析

2.1.1坯料转移过程仿照

9种坯料转移后温度变动对好比图3所示，S2坯料与模具各部位温度散布如图4所示。转移10s后坯料和模具温度降低，坯料温度的降低由中心向高，越有利于钛锻件铸造成形。

2.1.3成形过程仿照

9种坯料仿照至坯料齐全充斥模具模膛时的温度变动对好比图7所示。锻件齐全充斥模膛时，由于合金变形热效应造成锻件最高温度上升，比关模时的最高温度上升了15?21°C。

S9锻件与下模的温度散布如图8所示。下模和表部增大，两端倒角处温降最大，降至888°C;模具棱边处温降较心部大，顶点处温降最大，降至193°C。从图3还能够看出，当坯料长度为90mm(S1、S4、S7)时，坯料温度降低最多，其原因在于此尺寸坯料长度最长，表表积较大，导致散热较多。

2.1.2关模过程仿照

9种坯料关模后温度变动对好比图5所示，坯料与模具各部位温度散布如图6所示。坯料鄙人模上搁置2s后，坯料温度进一步降低，并且坯料长度为90mm的3种坯料规格温度降低较多。模具温度也进一步降低，但下模因与锻件坯料有接触，故其接触点部位及左近温度反而升高。由图6还能够看出，坯料在经过12s的传热后，即在坯料变形起头之前，坯料表表倒角处的最低温度已经降落到881T：，相比坯料的出炉温度955°C,锻件坯料最大温降达74°C,均匀温降达6.2°C/s。相比其它资料的铸造，钛合金的铸造温度领域相对较窄，因而，以上数据充分说了然坯料出炉转移和关模功夫的沉要性：转移、关模功夫越短，坯料温度降低越少，相应坯料温度越 锻件的温度散布拥有肯定的对应性，即锻件温度高的处所，模具与之接触的处所温度也高。模具温度最高部位达692°C，险些所有的棱边温度均在500°C以上，这对模具资料自身机能提出了较高的要求。

9种锻件齐全填充时模间距（上模和下模间隙距离）和上模z向载荷的对比关系如图9所示。二者总体上呈反比关系，即模间距越大，z向载荷越幼， 模间距越幼向载荷越大。

通常地，锻件齐全充斥模膛时的z向载荷大幼能够表征锻件的成形性曲直，即z向载荷越幼，锻件的成形性越好。图9中，当锻件体积别离为50%、60%、70%时，S2、S5、S9号锻件的z向载荷最幼，模间距最大，这3种锻件的成形机能最好。

S2、S5、S9三种锻件相比，S9锻件齐全填充时的z向载荷最幼，并且模间距最大，拥有最优的成形性。另表，由图7可见，S9锻件最高温度在9种锻件中最低，批注变形热效应最弱，S9锻件最低温度在

9种锻件中最高，散热至少。以上均注明S9锻件拥有最优的成形性，可见，坯料直径适当大于锻件直径有利于模锻成形。

S9锻件分歧仿照步数时的填充情况如图10所示。该锻件最难填充的部位在少50_圆柱内侧，而下模凸台底部部位次之，如图10(a)、(b)、（c)中箭头所指地位所示。

2.2锻件成形性分析

凭据数值仿照了局，选取S9坯料进行了现实铸造试验，铸造工艺过程为：①备料，坯料下料尺寸<f>52mm×75.2mm，两端倒/?3mm圆角；②锻前筹备，模具预热温度200°C,坯料表表涂覆玻璃光滑剂；③加热，电炉加热，加热坯料到955°C后保温40min;④铸造，坯料从炉中转移至模具功夫≤10s,模具合模功夫≤2s,变形压下量为上模压至模间距2mm处;⑤锻后处置，锻后切除飞边，而后空冷。

锻后锻件的填充性与表表质量良好。现实铸造飞边与数值仿照飞边对好比图11所示，二者表观概括状态一致，批注仿照的金属流动与现实铸造过程中金属的流动情况一致，充分说了然数值仿照的正确性。

2.3锻件组织、机能分析

将锻件按下述工艺造度进行真空热处置，之后进行组织、机能分析：①热处置前筹备，锻件装炉前算帐表表氧化皮；②加热，真空炉加热，锻件室温装炉，随炉升温，到温780°C后保温1.5h;③冷却：氩气冷却锻件至100°C以下温度出炉。

2.3.1锻件组织分析

将退火热处置后的实物锻件从中心沿高度方向U向）剖开，得到的低倍组织如图12(a)所示，坯料原始棒材低倍组织如图12(b)所示。从图12(a)来看，锻件内部组织比力均匀，有肯定的法规性，即：锻件的中心部位晶粒较粗壮，为清澈晶，边缘部位晶粒较藐幼，为吞吐晶。A点区域属于清澈晶区，晶粒度级别为4.5级，高倍组织如图13(a)所示。边部B点区域晶粒度级别为7级，为吞吐晶区，高倍组织如图13(b)所示。C点区域晶粒度级别为5级，仍属清澈晶区，高倍组织如图13(c)所示。

图12(a)钟装B”点区域存在一“<”型区域，如图中箭头所指，此处晶粒藐幼，显示出了显著的金属流动方向，批注金属从锻件中央部位流向</>50mm的圆端部。图12(b)中，TA15合金原始棒材晶粒度为9.0级，为等轴吞吐晶，与图12(a)中锻件晶粒相比，原始棒材晶粒显著藐幼，注明锻件在多火次高温铸造、切边、退火热处置后晶粒有所长大。

由图13可见，TA15合金锻件内部“A”、“B”、“C”三点高倍组织特点差距不大，均为拉长的初生α相+层片状α相+β相。拉长的初生α相的形成重要与合金铸造变形有关，即初生α相的拉长方向为合金的流动方向。

2.3.2锻件力学机能分析

沿锻件圆柱中心轴的方向在锻件心部取样，锻件力学机能(均值）如表4所示。由表4可见,锻件拥有较好的综合力学机能，相迸宗表2中的棒材坯料，锻件强度、硬度略降，冲击功显著提高，与多火次铸造之后晶粒增大有关。

3、结论

(1)TA15钛合金坯料规格对模锻成形过程影响较大，坯料直径方向规格适当大于锻件规格有利于现实模锻成形。

(2)坯料出炉转移和关模功夫对模锻成形影响较大：转移、关模功夫越短，坯料温度降低越少，相应坯料温度越高，越有利于锻件铸造成形。

(3)齐全填充时，模间距和上模2向载荷在总体上呈反比关系，即模间距越大，z向载荷越幼，模间距越幼^向载荷越大。

(4)现实模锻成形情况与数值仿照了局一致，最终锻件拥有较好的综合力学机能，与棒材坯料相比，锻件强度、硬度略降，冲击功显著提高。

参考文件：

[1]《中国航空资料手册》编纂委员会.中国航空资料手册：第4卷[M].第2版.北京：中国尺度出版社，2001:74.

[2]黄伯云，李成功，石力开，等.中国资料工程大典：第4卷（上）[M].北京：化学工业出版社，2005:694.

[3]龙丽.TA15合金铸造过程的数值仿照[D].西安：西北工业大学，2005.

[4]夏巨湛.中国模具工程大典：第5卷[M].北京：电子工业出版社，2007:157.

[5]李传民，王向丽，闫华军.金属成形有限元分析事俘领导教程[M].北京：机械工业出版社，2006:136.S3