钛(tai)合(he)金由于具(ju)有(you)比(bi)强(qiang)度高(gao)、耐高(gao)温(wen)、耐腐(fu)蚀(shi)性等 优(you)异(yi)的综合(he)性能(neng)，在航(hang)空航天(tian)、舰船(chuan)和(he)核(he)电(dian)等(deng)工(gong)业(ye)领(ling) 域(yu)得到(dao)广(guang)泛(fan)的应(ying)用冋(jiong)。随着(zhe)塑(su)性(xing)成形(xing)加(jia)工技(ji)术的不 断(duan)发展，市场(chang)对锻(duan)件(jian)产(chan)品(pin)质量(liang)要求(qiu)不(bu)断(duan)提高，了(le)解和(he) 掌握生产(chan)加工工艺对(dui)产品(pin)质量的(de)影(ying)响(xiang)，并通(tong)过(guo)控制(zhi)工(gong)艺参(can)数(shu)来提高产(chan)品(pin)质(zhi)量(liang)是(shi)非常重要的。其中(zhong)，锻(duan)造是塑性(xing)变(bian)形(xing)中(zhong)的(de)一(yi)种代(dai)表(biao)性工艺，通(tong)过对(dui)锻件(jian)进(jin) 行反复的(de)徹粗(cu)拔(ba)长使(shi)锻件产生(sheng)较大(da)的变(bian)形、累积较 大应变(bian)，主要目(mu)的是细化(hua)晶(jing)粒、消除(chu)锻(duan)件(jian)内部缺(que)陷、 提(ti)高(gao)钛锻件性(xing)能(neng)，总(zong)体上(shang)使合金材(cai)料(liao)的组(zu)织(zhi)性能得(de)到 改(gai)善,并且锻(duan)件(jian)的内部组(zu)织、力(li)学(xue)性(xing)能和(he)服役寿命(ming)均(jun)超(chao)过了(le)铸件(jian)然而(er)锻(duan)件(jian)在锻(duan)造(zao)过程(cheng)中容(rong)易(yi)产(chan)生裂(lie)纹并影响(xiang)锻件(jian)的(de)合格(ge)率(lv)，而(er)损伤(shang)值(zhi)的(de)大小是(shi)衡量锻(duan)件塑性变(bian)形过(guo)程(cheng)中裂(lie)纹出现几(ji)率(lv)的指(zhi)标(biao)，当(dang)锻件损伤(shang)值(zhi)达(da)到(dao)临(lin)界(jie)值(zhi)时(shi)裂(lie)纹(wen)萌(meng)生。因此，了解(jie)不(bu)同(tong)锻造工艺参数下的(de)损伤值,对(dui)保(bao)证锻件成形质(zhi)量(liang)、提升锻件(jian)在(zai)服役期间的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)具(ju)有(you)重(zhong)要意义。
实(shi)际锻(duan)造(zao)加工(gong)过程(cheng)较为(wei)复(fu)杂(za)且对于锻件(jian)的变形 参(can)数和(he)性(xing)能之间的关系(xi)是(shi)难(nan)以(yi)直(zhi)接(jie)测(ce)试(shi)和(he)表征(zheng)的(de)， 通过(guo)有(you)限元(yuan)数(shu)值模拟可(ke)以(yi)对复杂的(de)锻(duan)造过程(cheng)中(zhong)损(sun)伤 值进行(xing)有效分析冋,在(zai)节(jie)省财力和(he)物(wu)力的(de)同时，也(ye)揭(jie)示(shi)了在(zai)不同的(de)变(bian)形速率(lv)、变形温度、打(da)击(ji)次(ci)数(shu)下锻(duan)件 损(sun)伤值(zhi)的(de)大小，并通(tong)过(guo)正交(jiao)试(shi)验(yan)对(dui)锻(duan)造(zao)工(gong)艺参数进 行(xing)优(you)化(hua)。综(zong)合(he)考(kao)虑不同锻造工(gong)艺(yi)参数(shu)对(dui)锻(duan)件(jian)损伤值 影(ying)响的显(xian)著(zhu)度，获得一(yi)组较(jiao)优的(de)工(gong)艺参数组(zu)，为(wei)TC4钛合(he)金在(zai)锻(duan)造(zao)生产(chan)过程中(zhong)提(ti)高(gao)锻件(jian)质(zhi)量(liang)、设(she)备整体 服役(yi)寿命提(ti)供理论(lun)依据。
1、钛合(he)金(jin)锻(duan)件仿真(zhen)模(mo)型建立(li)
利(li)用(yong)Deform-3D有(you)限元仿(fang)真软(ruan)件(jian)对(dui)TC4钛(tai)合(he)金(jin)多次(ci)锻(duan)造变形过(guo)程进行仿真(zhen)。建(jian)立有(you)限(xian)元模(mo)拟时所(suo)需坯(pi)料和(he)模具的(de)三(san)维(wei)模型(xing)如图1所(suo)示，其(qi)中坯(pi)料(liao)的尺(chi)寸(cun)为100mmx50mmx80mm与(yu)实际锻(duan)件(jian)锻造(zao)尺寸(cun)保(bao)持一(yi)致，上下模具(ju)为(wei)锻造设备(bei)试(shi)验简化后(hou)的(de)锤头和砧(zhen)板(ban)。
根(gen)据锻造生(sheng)产过程中变(bian)形速(su)率(lv)、变形(xing)温度(du)、变(bian)形(xing)量(liang)等因素对(dui)锻(duan)件(jian)损伤(shang)值(zhi)的影(ying)响(xiang)，设(she)置锻(duan)造工(gong)艺(yi)参数(shu)为(wei)变(bian)形(xing)温度(du)925、950、975、1000、1025°C,变形(xing)速(su)率(lv)0.2、2、20、200mm/s,变形(xing)量(liang) 30%、40%、50%、60%、70%。
2、TC4钛(tai)合(he)金(jin)有限元仿真(zhen)结(jie)果分(fen)析
2.1 工(gong)艺参(can)数(shu)对(dui)锻件(jian)损伤(shang)值的影响(xiang)
(1)变(bian)形速率对(dui)锻件损伤值(zhi)的影(ying)响。在(zai)锻造温度为1000°C,总(zong)变(bian)形(xing)量(liang)为(wei)50%的锻(duan)造(zao)工艺(yi)参(can)数下，分(fen)别分(fen)析了(le)变形(xing)速(su)率(lv)为(wei)0.2、2、20、200mm/s时锻件的损伤值(zhi)。不(bu)同变形(xing)速率(lv)下(xia)TC4钛(tai)合金(jin)损(sun)伤值云图(tu)如图2所示。不(bu)同(tong)变(bian)形(xing)速(su)率下TC4的最大损伤值(zhi)如(ru)图(tu)3所示(shi)。从图2、3可(ke)以看(kan)出(chu)，在变形(xing)速率(lv)为(wei)0.2mm/s时(shi),TC4钛合(he)金(jin)锻(duan)件(jian)的损(sun)伤值分(fen)布比较均匀，且(qie)最大(da)值为0.0524；变(bian)形速(su)率(lv)为(wei)2mm/s时,TC4钛合(he)金锻(duan)件(jian)最(zui)大损失值(zhi)为1.43；变形速(su)率(lv)为20mm/s,TC4钛合金锻(duan)件的(de)损伤值基(ji)本分布在两(liang)侧(ce)变(bian)形(xing)较大部(bu)分，且损(sun)伤值(zhi)最(zui)大为(wei)1.17；变形(xing)速率(lv)为200mm/s,TC4钛合金(jin)锻(duan)件(jian)的(de)损伤(shang)值分(fen)布情(qing)况在(zai)两(liang)侧变形较(jiao)大(da)位置，且最(zui)大(da)值(zhi)为(wei)0.652。
在(zai)变形(xing)速(su)率0.2〜2mm/s时，随(sui)着(zhe)变(bian)形(xing)速率(lv)的(de)增(zeng)加(jia),TC4钛合金(jin)锻(duan)件的损伤(shang)值快(kuai)速(su)增(zeng)加(jia)，且(qie)在变形(xing)速率(lv)为2mm/s时锻件(jian)的损伤值(zhi)最大。变形(xing)速率在2~200mm/s时(shi),TC4钛合(he)金(jin)锻件(jian)的最大损(sun)伤值(zhi)而(er)降低(di)。因此(ci)，在温度和(he)变(bian)形(xing)量一定(ding)的(de)情况下(xia)，变形速(su)率(lv)在(zai)一(yi)定(ding)范(fan)围(wei)内低于(yu)或(huo)者高(gao)于2mm/s都(dou)有(you)助(zhu)于(yu)减小(xiao)锻件损(sun)伤(shang)值，有助(zhu)于(yu)防(fang)止(zhi)锻件岀(chu)现(xian)开裂(lie)现象的(de)同(tong)时提(ti)高(gao)锻件的质量(liang)。
(2) 变(bian)形温度(du)对锻(duan)件损伤值(zhi)的(de)影响(xiang)。实(shi)际锻造(zao)时的(de)打击速(su)率(lv)与数值模(mo)拟(ni)结(jie)果相结(jie)合(he)，选(xuan)择锻(duan)造过(guo)程中的(de)变(bian)形速率为200mm/s,变(bian)形(xing)量(liang)为(wei)50%,作(zuo)为初(chu)始(shi)条(tiao)件(jian)，分析(xi)不(bu)同(tong)温度对(dui)TC4钛(tai)合金锻件(jian)损伤最(zui)大值(zhi)的(de)影(ying)响(xiang)，如(ru)图(tu)4所(suo)示。可(ke)以看(kan)出(chu)，随(sui)着(zhe)锻造(zao)温(wen)度的增加(jia)最大(da)损伤值(zhi)在逐(zhu)渐减(jian)小，并且(qie)在925 °C时取(qu)得(de)最大值(zhi)。在变形(xing)速率(lv)、变形(xing)量相同(tong)下(xia)，提(ti)高锻(duan)造变形温(wen)度有(you)助于(yu)降(jiang)低TC4钛合金锻(duan)件在(zai)锻造(zao)过程中(zhong)的损伤值(zhi),减(jian)小(xiao)锻(duan)造(zao)过程(cheng)中(zhong)锻(duan)件(jian)出现裂(lie)纹(wen)现象(xiang)，从(cong)而提(ti)高(gao)锻件(jian)成(cheng)形(xing)品质量。
(3) 变形量对(dui)锻件损(sun)伤(shang)值(zhi)的(de)影响。当锻造(zao)温度(du)为(wei)1000 °C、变(bian)形速率为(wei)200mm/s时分析(xi)了变形(xing)量(liang)为30%、40%、50%、60%、70%的锻(duan)件(jian)最大损伤值(zhi)。不同(tong)变(bian)形(xing)量(liang)对(dui)TC4钛(tai)合(he)金(jin)锻(duan)件损(sun)伤(shang)值的(de)影响如图(tu)5所(suo)示(shi)。从(cong)图(tu)中可(ke)以看(kan)出(chu)，TC4钛(tai)合(he)金(jin)锻(duan)件(jian)最大(da)损(sun)伤值随着变形量的(de)增加而增加，因为锻(duan)件经过加(jia)热和(he)高温保(bao)温后(hou)金属(shu)之间的流动(dong)性(xing)增(zeng)强(qiang)，在(zai)受(shou)到(dao)外力作(zuo)用时，金(jin)属变形向两边(bian)流动，但(dan)鼓(gu)肚(du)现(xian)象(xiang)不(bu)明(ming)显(xian)，随着(zhe)变(bian)形量(liang)的(de)增加，鼓(gu)肚(du)现(xian)象(xiang)愈加(jia)明(ming)显，锻(duan)件(jian)所承(cheng)受的变形抗力也(ye)逐渐增加。为(wei)了防(fang)止在(zai)锻(duan)造过程中损(sun)伤(shang)值(zhi)较(jiao)大，锻件开(kai)裂(lie)现(xian)象的(de)产(chan)生,在其(qi)他条(tiao)件(jian)相(xiang)同的(de)情(qing)况(kuang)下(xia)尽量采(cai)用(yong)小变(bian)形锻(duan)造(zao)。
2.2基于正(zheng)交试(shi)验(yan)的TC4钛(tai)合(he)金(jin)工艺(yi)参数(shu)优化(hua)
正(zheng)交(jiao)试(shi)验(yan)是基(ji)于最(zui)优(you)理(li)论(lun)方(fang)法对多(duo)因素(su)问题(ti)进行(xing)寻(xun)优的一(yi)种(zhong)方(fang)法，有(you)以下(xia)几(ji)种(zhong)特征:①利(li)用方差(cha)分析(xi)法，获得各(ge)因(yin)素(su)对影响目标的(de)贡(gong)献(xian)率，利用极差分(fen)析(xi)对方差(cha)分析的结果进行检验(yan),提高(gao)数(shu)据(ju)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing);②对试验(yan)中(zhong)各(ge)因素有(you)无交(jiao)互作(zuo)用(yong)进行确定；③通过(guo)正(zheng)交(jiao)试验(yan)中的模(mo)拟(ni)数(shu)据(ju)，得(de)到(dao)因(yin)素(su)水平(ping)组(zu)合的(de)计算结果(guo)。
通过(guo)正(zheng)交试验法将(jiang)锻件在不同锻造工(gong)艺参(can)数下模(mo)拟得(de)到的最(zui)大损(sun)伤(shang)值(zhi)进(jin)行优(you)化(hua)，结(jie)合(he)方(fang)差(cha)分析和(he)极(ji)差分(fen)析确(que)定变(bian)形温度(du)、变(bian)形(xing)速(su)率(lv)及(ji)变(bian)形量(liang)对(dui)锻(duan)件质(zhi)量(liang)影响(xiang)的显著(zhu)程度，并通(tong)过(guo)方差分(fen)析(xi)不(bu)同锻(duan)造工(gong)艺参(can)数(shu)对锻件指(zhi)标的影(ying)响(xiang)的显(xian)著程度(du)和(he)贡(gong)献率(lv)，最终(zhong)获得(de)较优的锻(duan)造工(gong)艺(yi)参数组(zu)，为TC4钛合金锻(duan)件(jian)实(shi)际(ji)锻造工艺(yi)参数的选取(qu)提(ti)供(gong)依据。
(1)钛合金(jin)锻(duan)件影响因素(su)的(de)预测模型(xing)。在(zai)锻造(zao)变(bian)形(xing)的(de)过(guo)程(cheng)中(zhong)，影响TC4钛(tai)合(he)金(jin)锻(duan)件损(sun)伤(shang)值(zhi)的主(zhu)要锻造(zao)工艺(yi)参数是(shi)变形温度(du)、变(bian)形速率(lv)和变(bian)形(xing)量(liang)。锻造(zao)工(gong)艺(yi)参(can)数及(ji)水(shui)平(ping)如表(biao)1所示(shi)，表明正交(jiao)试(shi)验(yan)法(fa)中(zhong)主要影响(xiang)因(yin)素是变(bian)形(xing)温度、变形速率(lv)和(he)变形量，并(bing)且每(mei)个影(ying)响(xiang)因(yin)素设(she)置(zhi)5个不同的(de)参数水(shui)平(ping)。
在(zai)正交(jiao)试(shi)验(yan)法(fa)中(zhong)，不考虑锻(duan)造(zao)工艺(yi)参数(shu)之(zhi)间(jian)的交(jiao)互(hu)作(zuo)用，选择厶25(56)的正交(jiao)试(shi)验(yan)表(biao)，数(shu)值(zhi)模拟(ni)分(fen)析TC4钛合(he)金锻(duan)造(zao)过程(cheng)中不同锻(duan)造工(gong)艺(yi)参数(shu)对锻件(jian)质(zhi)量(liang)的(de)影响(xiang)，并(bing)以(yi)锻(duan)件的(de)损(sun)伤值作为(wei)试验(yan)的指标,具体的正交试验方(fang)案如(ru)表(biao)2所示。
(2) 极差分(fen)析(xi)。正交试(shi)验(yan)法中(zhong)不同(tong)锻造工艺(yi)参数在不同(tong)水平组合下(xia)锻件最大(da)损(sun)伤值(zhi)的影(ying)响进行极(ji)差分析，如(ru)表(biao)3所示。从表(biao)3中对(dui)比(bi)变形(xing)温(wen)度(du)、变(bian)形速(su)率、变形(xing)量所(suo)对(dui)应(ying)的(de)极(ji)差(cha)值R,得(de)出锻造(zao)工艺参(can)数(shu)对(dui)TC4钛合(he)金(jin)锻件损伤值(zhi)的影(ying)响程度，其中(zhong)，变形(xing)速(su)率(lv)〉变(bian)形量(liang)〉变形(xing)温(wen)度。结(jie)合(he)锻造试(shi)验中锻(duan)造温度(du)对(dui)TC4钛合(he)金(jin)力(li)学性(xing)能(neng)的影(ying)响(xiang)，得(de)到锻造(zao)温度(du)为(wei)925 °C时(shi),TC4钛合(he)金的(de)损(sun)伤值(zhi)最小(xiao)，综合(he)考虑实际(ji)锻(duan)造过程中(zhong)锻件(jian)的性(xing)能(neng)与正交优化(hua)的(de)结果相结合(he)得(de)到(dao)较(jiao)优的(de)工(gong)艺参(can)数组为：变形温度(du)925 °C,变形速(su)率(lv)1000mm/s,变(bian)形量 70%。
(3) 方(fang)差(cha)分(fen)析。方(fang)差分(fen)析(xi)法是(shi)分析(xi)影(ying)响因(yin)素显(xian)著性(xing)水(shui)平的(de)方(fang)法。为进(jin)一步(bu)确定工(gong)艺(yi)参(can)数对TC4钛合(he)金(jin)锻件性(xing)能的显(xian)著性影响(xiang)，可以通(tong)过方(fang)差(cha)对正交(jiao)试验数据进(jin)行(xing)分析,并得出(chu)TC4钛(tai)合(he)金(jin)锻件损伤(shang)值(zhi)的(de)显著性(xing)如表(biao)4所(suo)示(shi)。可(ke)以看出(chu)锻(duan)造变形过(guo)程(cheng)锻造工(gong)艺(yi)参(can)数(shu)中(zhong)变形(xing)速率(lv)对(dui)锻件(jian)质(zhi)量(liang)的影响贡(gong)献率最大(da),进(jin)一步确(que)定(ding)了变(bian)形速率(lv)是(shi)确定锻(duan)件性(xing)能的关键。
3、结(jie)论(lun)
(1) 在(zai)变(bian)形温度(du)1000 °C和变形(xing)量(liang)50%时，变形(xing)速(su)率低(di)于(yu)或(huo)者(zhe)高(gao)于2mm/s都(dou)有(you)助(zhu)于减(jian)小(xiao)锻件损伤(shang)值，提(ti)高(gao)锻件(jian)质(zhi)量(liang)。
(2) 在变(bian)形温(wen)度925 °C ,变(bian)形(xing)速(su)率(lv)1000 mm/s,变形量(liang)70%时(shi)锻(duan)件质量(liang)良好(hao)。
(3) TC4钛合(he)金(jin)锻件(jian)锻(duan)造变(bian)形过(guo)程(cheng)中各(ge)个锻(duan)造工艺参数(shu)对(dui)锻(duan)件(jian)最大损伤(shang)的(de)影(ying)响(xiang)依(yi)次(ci)为(wei)变形速率＞变形(xing)量〉变(bian)形温度。
参(can)考文(wen)献：
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