TA15长梁锻件热处理过程温度场模拟研究

张 睿 左 正 高 蕾 李 达

(1.中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618000；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川610031)

TA15钛合金属于近α型钛合金，该合金在飞机结构件中得到广泛的应用，结构形式包括主承力框、接头、蒙皮、大型整体壁板等。TA15的主要强化机制是锻后热处理过程中，亚稳定β相在临界温度以上发生分解，弥散析出的次生α相有固溶强化作用。与其它加工工艺相比，热处理能在不改变工件形状和整体化学成分的前提下较好地改善工件的内在质量。但钛合金导热系数低，仅为钢的13，加热过程中极易造成温度的不均匀分布，从而在热处理后引起较大的残余变形，严重影响锻件的质量。因此，详细研究钛合金热处理过程中的温度场分布特征对制定合理的热处理工艺、降低锻件变形具有积极意义。

国内外对锻件热处理过程温度场及变形进行了大量的研究，但是由于热处理温度场及变形受零件形状因素影响较大。因此，本文基于热力学基本理论，针对某航空模锻件，开展了以下三个方面的研究：(1)根据深埋热电偶测量数据，采用反算法确定出TA15锻件热处理过程中的综合换热系数；(2)模拟了TA15锻件连续加热过程中的温度场分布特征；(3)模拟了TA15锻件分段加热过程中的温度场分布特征，从而期望为降低TA15钛合金锻件热处理过程中的温度分布差异及热处理后的变形提供有利指导。

1 有限元模型建立

1.1 网格模型

本文以某TA15钛合金锻件为研究对象，根据实际尺寸建立有限元模型。

1.2 换热系数确定

热处理炉中钛合金锻件所受到的热交换主要来自环境温度与其表面的对流换热以及炉膛内壁对其的辐射换热。无论是对流换热还是辐射换热，其换热系数均是随锻件温度的改变而不断地变化。

因此本次温度场计算采用综合对流和辐射的换热系数，并以换热形式进行加载。为确保模拟结果尽可能与实际情况接近，锻件热处理过程中，在炉中同等位置处放置两个不等尺寸的试块，并在试块的心部位置埋放热电偶，动态测量出该部位的温升曲线，结合有限元模型建立两个同等形式试块的加热模型，通过对试块的热电偶试验结合模拟结果反算出实际的换热系数(见表1)。

2 结果与讨论

2.1 锻件连续加热过程温度场模拟

为模拟锻件实际加热过程中的温度场分布情况，进行连续加热过程温度场数值模拟。选择与实际情况相同的850℃热处理工艺曲线。

表1 热处理过程中锻件各部位的综合换热系数Table 1 Comprehensive heat transfer coefficient of various parts of the forging during heat treatment

从锻件连续加热过程中不同时刻的温度场分布可知，整个加热过程中，锻件上存在温度不均匀分布特征。锻件加热过程中，温度的不均匀分布会引起锻件产生应变形，温度差异越大，最终引起的变形程度越大。因此，若不控制加热过程中锻件温度分布的不均匀性，将严重影响锻件的尺寸精度，甚至于报废，造成严重的经济损失。通过锻件上最高温度、最低温度以及二者温度差随时间的变化曲线(见图1)可以有效地反映锻件上温度分布的不均匀程度。从图中可以看出，在加热初期，温差迅速增大，并在1200 s时达到最大温差约为359℃；随后温差逐渐减小，当锻件上最低温度升高至炉温时，温差降为零。

(a)分段工艺1(b)分段工艺2(c)分段工艺3

图3 三种分段加热工艺下的锻件特征温度-时间曲线
Figure 3 Characteristic temperature-time curve of forgings in three sectional heating processes

如上所述，锻件在连续加热过程中温度分布不均匀程度较大，且整个加热过程中最大温差数值较大。因此，若能够通过改变加热工艺改善锻件上的温度分布不均匀程度，势必将有助于降低锻件加热过程的变形量。

2.2 锻件分段加热过程温度场模拟

为了改善热处理过程中锻件温度分布的不均匀性，本文模拟了三种不同的分段加热工艺(见图2)下锻件的温度场分布，以期能够改善加热过程中的温度分布不均匀程度。其中分段工艺1：加热到1200 s时保温30 min，后继续按原有加热速度升温到850℃并保温。分段工艺2：加热到600 s时保温30 min，后继续按原有加热速度升温到850℃并保温。分段工艺3：加热到600 s时保温60 min，后继续按原有加热速度升温到850℃并保温。

从三种分段加热工艺下的锻件最高温度、最低温度以及二者温度差的时间历程曲线(见图3)可知，三种分段加热工艺下锻件的特征温度曲线

与连续加热工艺相近，锻件均在1200 s时存在最大温差。其中，分段工艺1的最大温差与连续加热一样，均为359℃左右。而分段工艺2和分段工艺3的最大温差均为345℃左右，此温差虽然小于连续加热和分段工艺1，但差异并不大。此外，不同的加热工艺对锻件上最高温度的影响程度大于最低温度。

综上所述，在本文所选取的三种不同的分段加热工艺对锻件温度场分布的影响区别不大，三种分段加热工艺并未能够有效地改善锻件温度分布的不均匀性。但通过详细分析可以发现，随着分段保温的时间越提前，锻件的最大温差越小；分段保温时间越长，锻件的温度均匀性将得到改善。因此只要采取合理的分段加热工艺，将肯定有助于改善温度分布的不均匀程度。本文试验导致差异不大的原因在于实际锻件的热处理是到温入炉，炉温的温度变化范围非常小，导致不同分段加热工艺之间的区分度并不大。采用随炉升温的方式对锻件进行热处理，由于随炉升温过程中炉温变化幅度大，若此时采用分段加热方法将有助于改善温度的不均匀程度，进而有助于降低锻件的变形量。

3 结论

(1)TA15钛合金锻件连续加热过程中温度分布极不均匀，在加热到1200 s左右时锻件上存在最大温度差为359℃。加热到12 600 s左右时，锻件整体被透热。

(2)采用分段加热工艺将有助于改善锻件的温度分布差异，且随着分段保温的时间越提前，分段保温时间越长，改善效果越明显。

(3)本文选取的分段加热工艺温度变化范围较窄，因此三种分段加热工艺对改善锻件的温度分布差异效果不明显。