鈦合金由于具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕性等 優異的綜合性能，在航空航天、艦船和核電等工業領 域得到廣泛的應用冋。隨著塑性成形加工技術的不 斷發展，市場對鍛件產品質量要求不斷提高，了解和 掌握生產加工工藝對產品質量的影響，并通過控制 工藝參數來提高產品質量是非常重要的。其中，鍛 造是塑性變形中的一種代表性工藝，通過對鍛件進 行反復的徹粗拔長使鍛件產生較大的變形、累積較 大應變，主要目的是細化晶粒、消除鍛件內部缺陷、 提高鍛件性能，總體上使合金材料的組織性能得到 改善,并且鍛件的內部組織、力學性能和服役壽命均超過了鑄件然而鍛件在鍛造過程中容易產生裂 紋并影響鍛件的合格率，而損傷值的大小是衡量鍛 件塑性變形過程中裂紋出現幾率的指標，當鍛件損傷值達到臨界值時裂紋萌生。因此，了解不同鍛造工 藝參數下的損傷值,對保證鍛件成形質量、提升鍛件 在服役期間的可靠性具有重要意義。

實際鍛造加工過程較為復雜且對于鍛件的變形 參數和性能之間的關系是難以直接測試和表征的， 通過有限元數值模擬可以對復雜的鍛造過程中損傷 值進行有效分析冋,在節省財力和物力的同時，也揭示了在不同的變形速率、變形溫度、打擊次數下鍛件 損傷值的大小，并通過正交試驗對鍛造工藝參數進 行優化。綜合考慮不同鍛造工藝參數對鍛件損傷值 影響的顯著度，獲得一組較優的工藝參數組，為TC4鈦合金在鍛造生產過程中提高鍛件質量、設備整體 服役壽命提供理論依據。

1、鈦合金鍛件仿真模型建立

利用Deform-3D有限元仿真軟件對TC4鈦合金多次鍛造變形過程進行仿真。建立有限元模擬時所需坯料和模具的三維模型如圖1所示，其中坯料的尺寸為100mmx50mmx80mm與實際鍛件鍛造尺寸保持一致，上下模具為鍛造設備試驗簡化后的錘頭和砧板。

根據鍛造生產過程中變形速率、變形溫度、變形量等因素對鍛件損傷值的影響，設置鍛造工藝參數為變形溫度925、950、975、1000、1025°C,變形速率0.2、2、20、200mm/s,變形量 30%、40%、50%、60%、70%。

2、TC4鈦合金有限元仿真結果分析

2.1 工藝參數對鍛件損傷值的影響

(1)變形速率對鍛件損傷值的影響。在鍛造溫度為1000°C,總變形量為50%的鍛造工藝參數下，分別分析了變形速率為0.2、2、20、200mm/s時鍛件的損傷值。不同變形速率下TC4鈦合金損傷值云圖如圖2所示。不同變形速率下TC4的最大損傷值如圖3所示。從圖2、3可以看出，在變形速率為0.2mm/s時,TC4鈦合金鍛件的損傷值分布比較均勻，且最大值為0.0524；變形速率為2mm/s時,TC4鈦合金鍛件最大損失值為1.43；變形速率為20mm/s,TC4鈦合金鍛件的損傷值基本分布在兩側變形較大部分，且損傷值最大為1.17；變形速率為200mm/s,TC4鈦合金鍛件的損傷值分布情況在兩側變形較大位置，且最大值為0.652。

在變形速率0.2?2mm/s時，隨著變形速率的增加,TC4鈦合金鍛件的損傷值快速增加，且在變形速率為2mm/s時鍛件的損傷值最大。變形速率在2~200mm/s時,TC4鈦合金鍛件的最大損傷值而降低。因此，在溫度和變形量一定的情況下，變形速率在一定范圍內低于或者高于2mm/s都有助于減小鍛件損傷值，有助于防止鍛件岀現開裂現象的同時提高鍛件的質量。

(2) 變形溫度對鍛件損傷值的影響。實際鍛造時的打擊速率與數值模擬結果相結合，選擇鍛造過程中的變形速率為200mm/s,變形量為50%,作為初始條件，分析不同溫度對TC4鈦合金鍛件損傷最大值的影響，如圖4所示?？梢钥闯觯S著鍛造溫度的增加最大損傷值在逐漸減小，并且在925 °C時取得最大值。在變形速率、變形量相同下，提高鍛造變形溫度有助于降低TC4鈦合金鍛件在鍛造過程中的損傷值,減小鍛造過程中鍛件出現裂紋現象，從而提高鍛件成形品質量。

(3) 變形量對鍛件損傷值的影響。當鍛造溫度為1000 °C、變形速率為200mm/s時分析了變形量為30%、40%、50%、60%、70%的鍛件最大損傷值。不同變形量對TC4鈦合金鍛件損傷值的影響如圖5所示。從圖中可以看出，TC4鈦合金鍛件最大損傷值隨著變形量的增加而增加，因為鍛件經過加熱和高溫保溫后金屬之間的流動性增強，在受到外力作用時，金屬變形向兩邊流動，但鼓肚現象不明顯，隨著變形量的增加，鼓肚現象愈加明顯，鍛件所承受的變形抗力也逐漸增加。為了防止在鍛造過程中損傷值較大，鍛件開裂現象的產生,在其他條件相同的情況下盡量采用小變形鍛造。

2.2基于正交試驗的TC4鈦合金工藝參數優化

正交試驗是基于最優理論方法對多因素問題進行尋優的一種方法，有以下幾種特征:①利用方差分析法，獲得各因素對影響目標的貢獻率，利用極差分析對方差分析的結果進行檢驗,提高數據的可靠性;②對試驗中各因素有無交互作用進行確定；③通過正交試驗中的模擬數據，得到因素水平組合的計算結果。

通過正交試驗法將鍛件在不同鍛造工藝參數下模擬得到的最大損傷值進行優化，結合方差分析和極差分析確定變形溫度、變形速率及變形量對鍛件質量影響的顯著程度，并通過方差分析不同鍛造工藝參數對鍛件指標的影響的顯著程度和貢獻率，最終獲得較優的鍛造工藝參數組，為TC4鈦合金鍛件實際鍛造工藝參數的選取提供依據。

(1)鈦合金鍛件影響因素的預測模型。在鍛造變形的過程中，影響TC4鈦合金鍛件損傷值的主要鍛造工藝參數是變形溫度、變形速率和變形量。鍛造工藝參數及水平如表1所示，表明正交試驗法中主要影響因素是變形溫度、變形速率和變形量，并且每個影響因素設置5個不同的參數水平。

在正交試驗法中，不考慮鍛造工藝參數之間的交互作用，選擇厶25(56)的正交試驗表，數值模擬分析TC4鈦合金鍛造過程中不同鍛造工藝參數對鍛件質量的影響，并以鍛件的損傷值作為試驗的指標,具體的正交試驗方案如表2所示。

(2) 極差分析。正交試驗法中不同鍛造工藝參數在不同水平組合下鍛件最大損傷值的影響進行極差分析，如表3所示。從表3中對比變形溫度、變形速率、變形量所對應的極差值R,得出鍛造工藝參數對TC4鈦合金鍛件損傷值的影響程度，其中，變形速率〉變形量〉變形溫度。結合鍛造試驗中鍛造溫度對TC4鈦合金力學性能的影響，得到鍛造溫度為925 °C時,TC4鈦合金的損傷值最小，綜合考慮實際鍛造過程中鍛件的性能與正交優化的結果相結合得到較優的工藝參數組為：變形溫度925 °C,變形速率1000mm/s,變形量 70%。

(3) 方差分析。方差分析法是分析影響因素顯著性水平的方法。為進一步確定工藝參數對TC4鈦合金鍛件性能的顯著性影響，可以通過方差對正交試驗數據進行分析,并得出TC4鈦合金鍛件損傷值的顯著性如表4所示。可以看出鍛造變形過程鍛造工藝參數中變形速率對鍛件質量的影響貢獻率最大,進一步確定了變形速率是確定鍛件性能的關鍵。

3、結論

(1) 在變形溫度1000 °C和變形量50%時，變形速率低于或者高于2mm/s都有助于減小鍛件損傷值，提高鍛件質量。

(2) 在變形溫度925 °C ,變形速率1000 mm/s,變形量70%時鍛件質量良好。

(3) TC4鈦合金鍛件鍛造變形過程中各個鍛造工藝參數對鍛件最大損傷的影響依次為變形速率＞變形量〉變形溫度。

參考文獻：

[1] Garretson 1 C, Leong S. Terminology to supportmanufacturing process characterization and assessment forsustainable production [J]. Journal of Cleaner Production,2016,139:986-1000.

[2] 中國鍛壓協會.鍛造加熱與熱處理及節能環保[M].北京：國防工業出版社,2010.

[3] 陳鑫.TC4合金大規格棒材鍛造工藝研究[JJ.特鋼技術，2012,18(4):43-46.

[4] 吳傲宗，尹松森，陳博.雙金屬堆焊工藝在鍛造模具修復中的應用[J].金屬加工(熱加工)，2014(10)：84?85.

[5] 管殖.鍛造成形過程微觀組織優化設計方法研究[D].濟南：山東大學,2008.

[6] 李斌，王克魯，魯世強，等.TC4鈦合金環件徑軸向軋制數值模擬[J].熱加工工藝,2011,40(1):92-96.

[7] 李治華，牛昌安，佗勁紅，等.利用圓環徹粗與有限元法測定TC4鈦合金高溫變形的摩擦系數[JJ.精密成形工程,2013,5(2):11-15. 

相關鏈接