钛合金由于其优良的比强度、抗侵蚀机能被宽泛利用于飞机结构件的造作。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。此合金占有优良的淬透性和较宽的加工工艺领域，出格适合造作必须接受巨大应力的零部件，比力适合用于结构件，起落架、机翼、发起机挂架之间的衔接装置等。我司利用现有设备，针对Ti55531合金的机能特点发展了梁类锻件的试造，获得了表形尺寸合格、机能良好的高品质产品。

1、技术前提

图1所示为某型号飞机的梁类零件，力学机能要求如表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、压的方式接受弯矩载荷，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，壁板高杜纂厚度并不均匀，截面升沉大，是一种典型的难成形结构，资料为Ti55531钛合金。

表1 锻件力学机能要求

图1 零件示意图

2、技术路线

Ti55531钛合金梁类锻件的重要出产流程为：铸造(造坯→终锻)→机能热处置→理化检测→粗加工→超声波检测。

3、锻件原资料

毛坯选用西部超导资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 原资料化学成分(%)

4、铸造工艺

（1）铸造工艺流程。

选取模锻工艺成形，吓酌自由锻成形出与零件尺寸靠近的预造坯，如图2所示。此坯料可有效实现梁锻件分歧区域初始体积的合理分配，获得优良的填充成效，预防折叠缺点。铸造工艺蕴含造坯和模锻工序。

图2 预造坯

（2）模锻成形数值仿照。

为提逾越产效能和节约出产成本，凭据前期Ti55531合金锻件出产经验，锻件用DEFORM-3D进行了数值成形仿照分析。仿照具体参数如表3所示。

表3 有限元仿照过程参数

通过模锻成形仿照发现：当模锻选取仅一火铸造时，终锻温度过低，不满足工艺规范。通过屡次迭代优化，最终确定模锻选取两火铸造。

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散布图。当压机压下量为86mm时，铸造压力为4500～5000t。温度散布：表表温降较快，心部温度较高，温度为750～825℃。等效应变散布：锻件本体变形量30%～40%。

图3 模锻一火仿照了局

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散布图。当压机压下量为35mm时，锻件充斥情况优良，铸造压力为11800t。温度散布：温度为830～860℃，散布均匀。等效应变散布：锻件本体变形量40%～50%。通过数值仿照可知，选取模锻两火铸造，锻件充型优良，变形量适中，最终确定铸造工艺为造坯两火+模锻两火工序。

图4 模锻两火仿照了局

5、工艺试验及热处置

为检验最终锻件是否可能达到使用要求，别离试造梁锻件和肋锻件用于分析检测。梁锻件和肋锻件均选取通例两相区铸造，铸造温度为800℃，铸造设备为16MN快锻机。其中梁锻件代号为A1、A2，选取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快锻机上选取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。两锻件铸造参数如表4所示。

表4 梁、肋锻件铸造参数

原资料交货时已经进行固溶时效处置，热处置造度为：790℃×2.5h/AC+610℃×8h/AC。为了保障零件的机能切合最终使用需要，对试造件沉新进行热处置试验。对试造件别离进行固溶+时效处置和双沉退火处置后，进行力学机能检测。固溶+时效处置工艺为：固溶温度790℃，功夫2h
；时效温度600℃，功夫8h。双沉退火工艺如下：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。

机能检测项目如表5所示。试样在热处置后依照GB/T 228.1-2010加工成φ5mm×25mm的尺度拉伸试样，而后在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，试验依照GB/T 229-2007《金属资料夏比摆锤冲击试验步骤》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)的混合侵蚀剂侵蚀后，在DMI5000M Leica光学显微镜下观察显微组织。

表5 试造梁、肋锻件试样检测项目

试造梁锻件β退火+时效和固溶+时效状态的力学机能对好比图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，延长率为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，延长率为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 试造梁锻件两种热处置状态的力学机能对比

肋锻件β退火+时效和固溶+时效状态的力学机能对好比图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，延长率为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，延长率为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 试造肋锻件两种热处置状态的力学机能对比

因两种状态取样地位一样，所以力学机能变动趋向根基一样。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
；两种状态的延长率、断面收缩率和冲击韧度值无显著趋向，固溶时效状态的三个方向延长率、断面收缩率和冲击韧度值差距较大
；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休发展，飞机结构设计的理论在静强度、动强度、委顿强度及断裂强度方面不休进化，目前危险容限设计成为飞机结构设计的沉要规范。断裂韧度可用来表征资料抵抗裂纹扩大的能力，为资料的危险容限设计提供参考凭据。由于锻件选取β退火+时效状态断裂韧性高于固溶+时效状态，因而最终拔取β退火+时效作为锻件的最终热处置方式。

6、锻件试出产

锻件别离经过两火次造坯和两火次模锻出产，其锻件表形尺寸满足图纸要求。锻件每火次铸造成形情况与数值仿照情况根基一致。锻件每火次铸造工艺参数见表6。试出产锻件力学机能如表7所示，切合尺度要求。

表6 锻件试出产铸造工艺参数

表7 试出产锻件力学机能

实现语

1、通过数值仿照技术对模锻成形过程进行不休地迭代优化，造订出两火次造坯和两火次模锻的工艺规划，锻件充型优良，变形量均匀。

2、试造锻件整体力学机能均匀，齐全切合力学机能要求。锻件室温整体抗拉强度大于1150MPa，屈服强度大于1050MPa 。

3、对Ti55531钛合金锻件别离进行β退火+时效处置和固溶+时效处置，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合金锻件的试造出产钻研有肯定的领导意思。

（莫安军，王瑞麒，余胜峰，栗文强，曾菁·中国第二沉型机械集团德阳万航模锻有限责任公司）