大型钛合金整体隔框锻件局部加载等温成形技术

文/张大伟·西安交通大学机械工程学院

杨合·西北工业大学材料学院

大型钛合金整体隔框锻件局部加载等温成形技术

文/张大伟·西安交通大学机械工程学院

杨合·西北工业大学材料学院

随着航空、航天、汽车及兵器工业的迅速发展，特别是新一代战机和大飞机的研制，以及节能环保的迫切需求，使得塑性成形产品的制造朝着高性能、轻量化、短流程、低成本、数字化、绿色制造的方向发展。采用高性能轻质合金材料（如铝、镁、钛等）和轻量化结构（如薄壁、整体、带筋等结构）是提高零部件的性能和可靠性、实现装备轻量化的有效技术途径。大型钛合金整体隔框构件将材料和结构的优势相结合，具有很高的结构效率和优异的服役性能，作为关键承力构件，对飞机减重、提高可靠性和性能等方面效果显著。

由于材料的难变形性以及结构的大型复杂化，采用传统塑性成形工艺整体成形此类大型复杂构件不仅要求大变形压力、高变形能和高刚度的巨型压力机，而且容易出现材料充填困难、锻件质量难以保证等问题。局部加载等温成形技术的发展，为钛合金复杂大件成形制造难题的解决提供了新思路。本文从理论解析、数值模拟和工业试验等方面系统介绍局部加载条件下的材料基本变形特征、大型复杂构件三维有限元模拟以及该技术在工业中的应用。

局部加载等温成形技术介绍

局部加载等温成形是融合了局部加载成形和等温成形两者优势的先进塑性成形技术。在等温条件下，局部区域施加载荷、变换加载区，通过加载区与未加载区之间的不均匀变形协调实现整体构件的塑性成形。局部加载不仅可有效降低锻造载荷，还可通过控制不均匀变形提高材料成形极限，降低成形载荷，扩展成形构件的尺寸范围。等温成形可显著降低材料的流动应力、提高材料的塑性，在特定条件下还可获得超塑性效应，从而降低载荷、提高尺寸精度和组织性能的均匀性。

图1 钛合金复杂大件局部加载等温成形原理图

对于大型复杂构件，通过模具分区实现的局部加载方法是一种简单有效的减少接触面积、扩展成形尺寸的方法。如图1所示，将上模分成多个子模块，在一个局部加载步中，只有部分模具被施加载荷。在成形过程中根据变形量实施一个或多个加载道次，每个加载道次要经历多个局部加载步。局部加载道次对成形过程影响并不明显，实际工艺中为了简化操作一般采用一个道次。

构件的基本变形特征

大型复杂隔框的局部加载等温成形过程十分复杂、信息数据量非常大，难以快速把握基本成形规律、认知复杂的工艺过程。而设计能够反映其成形特点的特征结构体，抓住主要矛盾，通过研究典型特征结构成形中金属的变形流动行为，探究复杂成形过程的基本成形规律，初步认识复杂的成形工艺，为复杂工艺方案的制定、参数变量的选择提供理论基础。获取的基本规律可为针对整体构件的三维有限元模型的简化建立、合理参数范围的确定、初始模拟参数的选择提供基础。通过分析大型整体隔框的结构特征及其局部加载工艺特点，发现其在一定程度上可以看作由多个T形构件所构成的组合体，T形构件的局部加载可有效反映筋板类构件局部加载成形特征。

T形构件局部加载成形的物理模拟试验研究表明，局部加载成形过程中存在如图2所示的两种变形方式：剪切变形模式和镦挤变形模式。其变形模式依赖于坯料和模具的几何参数。当坯料厚度较厚时，局部加载过程中先发生剪切变形，然后发生镦挤变形。但是当局部加载宽度减小到一定值后，整个变形过程中型腔对应区域的材料几乎不变形，腹板处材料向两侧流动，剪切变形主导着整个变形过程；当局部加载宽度增大至一定值后，整个成形过程完全在镦挤变形模式下进行。

基于图2所示的简化变形模式，应用主应力法可以建立描述局部加载条件下材料流动特征的解析模型，见式⑴。试验和有限元研究表明，当局部加载宽度和筋宽比大于5时，主应力法和有限元法的预测精度相当。剪切变形模式不利于型腔充填，易造成充不满、折叠、流线紊乱等缺陷，可以应用解析模型调整坯料和模具参数，使型腔的充填在镦挤变形模式下进行。

其中：

式中，b为筋宽（mm）；l为局部加载宽度（mm）；H为加载区腹板厚度（mm）；m为剪切摩擦因子，m＝0.2～0.5；K为剪切屈服强度（MPa）。

图2 T形构件局部加载条件下的变形模式

成形过程的三维有限元模拟

基于DEFORM-3D软件，建立大型复杂构件等温局部加载成形过程的有限元模型，如图3所示。坯料为TA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）钛合金，其应力应变关系通过恒应变速率等温压缩试验获得，如图4所示。模具材料为镍基高温合金K403，由于忽略锻造过程的热事件以及假定模具是刚性体，故DEFORM-3D软件不需要模具材料性能。

图3 隔框局部加载等温成形有限元模型

图4 TA15钛合金应力应变关系

采用四面体实体网格对坯料进行网格划分，同时采用局部网格细划和网格自动重新划分技术以改进计算效率和避免网格畸变。根据局部加载特征，不同加载步、不同部位采用不同的网格划分策略：

⑴加载区内的网格密度大于未加载区，同时在加载区内通过表面曲率、应变分布、应变速率分布、网格密度窗口等权重因子进一步进行网格局部细化。

⑵第一局部加载步的网格数可比其他局部加载步的网格数减少30％～50％。

坯料的网格划分结果如图5所示。

在不同成形阶段选择不同的有限元求解器，不仅有限元求解不出现收敛问题，而且在部分区域出现“触模—脱模—触模”的情况下求解结果也可靠。采用剪切摩擦模型描述热成形工艺中的工件和模具之间的摩擦行为，并根据工业生产条件，应用圆环压缩试验确定了摩擦边界条件。模拟分析了某大型钛合金隔框构件局部加载成形过程，该成形过程共有两个局部加载步，模拟结果如图6所示。

图5 不同局部加载步的坯料网格

图6 典型阶段的有限元模拟锻件形状

工业应用

为了验证采用局部加载等温成形工艺锻造成形大型钛合金隔框的可行性，进行了大型复杂钛合金隔框的局部加载等温成形工业试验，试验材料为TA15钛合金。该局部加载等温成形工艺是在普通的6300t等温锻造液压机上完成的，其成形稳定阶段的加载速度是0.2mm/s。为了在普通等温锻造液压机上实现局部加载工艺，采用如图7所示的方法，通过调整模具结构、增加相应的辅助装置来实现局部加载。采用筋上分区闭模锻造工艺，共有两个局部加载步，也就是上模分为两个局部加载模块。

图7 普通液压机上的局部加载示意图

具体地，其上模分成两个子模块上模1和上模2，下模为整体模，共有两个局部加载步。第一局部加载步，上模1与上模座之间放置垫块，使上模2比上模1高，如图7a所示，移动横梁向下运动时，坯料所承受的载荷主要由上模1施加。第二局部加载步，上模1和上模2在同一水平面并同时加载，如图7b所示，移动横梁向下运动时，由于上模1对应区域在第一局部加载步已经成形，故坯料所承受的载荷主要由上模2施加。在局部加载阶段最大成形载荷仅为3000t，远小于整体加载时的成形载荷，有限元模拟对载荷的预测误差小于10％，如图8所示。所采用的坯料形状及成形过程中锻件的形状如图9所示。

图8 第二局部加载步中的载荷

图9 局部加载等温成形大型钛合金隔框锻件形状（部分）

结束语

局部加载等温成形技术是一种先进的、省力的近净成形技术，可有效解决钛合金大型隔框锻造中面临的现有设备能力不足、锻造余量大、容易出现成形缺陷等问题。局部加载条件下材料流动特征的解析模型可以快速确定初始的几何参数，为有限元模拟中模拟参数、边界条件的设定提供范围；详细的参数优化、工艺优化、过程控制由三维有限元模拟完成。应用现有设备，通过工艺创新，采用局部加载等温成形技术能够成功锻造满足航空锻件要求的大型钛合金隔框锻件。

张大伟，讲师，西北工业大学博士研究生毕业，研究方向为先进塑性成形技术及其数值模拟。