TC4钛合金叶片终锻成形过程仿真

李立安，齐广霞，史丽坤，刘 月

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159;2.沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁 沈阳 110043;3.中铁十三局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110034)

现在航空发动机叶片的材料，大都是合金化程度很高的耐热合金、不锈钢和钛合金。钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，其中含有6%的α稳定元素Al和4%的β稳定元素V，属于(α+β)双相钛合金［1－2］。叶片型面薄而复杂，加工时极易变形，这给机械加工带来了极大的困难。所以实际生产中一般采用精锻加工［3］。对于传统的叶片加工方法很大程度上依赖设计者的经验，不仅浪费了很多时间和精力，同时也浪费了大量的成本，而且具有不稳定性，而有限元法可以模拟金属精密塑性成形变形过程，在模拟过程中研究材料特性，变形温度、变形速度、摩擦条件等对成形过程的影响;也可以得到精密塑性成形制品在各塑性变形阶段的金属流动规律、工件内部的应力、应变和温度分布规律［4-5］。本文研究TC4钛合金静子叶片终锻的成形过程，并采用热力耦合有限元法对变形和传热进行分析，以获得材料变形时温度、应力、应变状态等的真实情况［6］。

1 预锻件的反向设计与终锻三维模具的建立

航空发动机的叶片形状不规则，其精密锻造成形过程复杂［7］，普通的棒料形状很大程度上难以满足其对成形性能的要求，所以需要对预锻件进行设计、优化。根据终锻叶片特点反向设计并计算，依据叶片的变形特点，满足榫头变形量达到20%，叶身变形量达到60%，见图1所示。

图1 预锻件

利用Pro/E的三维造型功能建立终锻叶片模型(见图2)，再通过Pro/E的模具模块制造命令，将之前创建好的终锻几何模型作为参考元件，选择合适的分型面，并分别创建终锻叶片上下模具(见图3)，并保存为.STL格式，以备deform3D调用。

图2 叶片

图3 叶片终锻上、下模具

2 叶片终锻模拟前处理

Deform是专门用于金属精密塑性成形的数值模拟软件，不但可以分析平面问题和轴对称问题的塑性变形，还能分析单位问题和考虑热力耦合的非等温塑性变形问题［8］。Deform3D虽然使用方便，但本身并不具有三维造型功能，故利用三维造型软件Pro/E很好地弥补了这一点。将之前保存好的.STL文件调入到Deform3D中，反复调试得到相应的终锻模型(见图4)，并设置相应的参数。

图4 终锻模拟模型

3 叶片终锻过程模拟与分析

TC4在热加工过程中变形抗力较大、锻造温度范围窄、充型能力差、属于难加工材料，而且加工费用昂贵，故在应用中又相继出现了β锻造、近β锻造、等温锻造和热模锻等钛合金锻造工艺［9］。其中热模锻是提高钛合金流动性、降低变形抗力最有效的精锻方法之一。变形过程中宏观场量(温度场、应力场、应变场)直接反应着锻件的质量，因此合理的工艺(如始锻温度、上模压下速度、坯料与模具之间的摩擦等)就尤为重要。

基于刚粘塑性有限元理论，并结合生产实际情况，制定模拟工艺线路:当坯料始锻温度为950℃、模具温度为400℃、摩擦因子为0.1时，取上模下压速度分别为 10mm·s－1、20mm·s－1、40mm·s－1对TC4钛合金叶片终锻成形过程进行研究。

3.1 下压速度对叶片终锻过程温度场的影响

图5为不同下压速度时终锻叶片温度场的分布图。

图5 不同下压速度时终锻叶片温度场的分布

模拟由于飞边的存在，使得叶身飞边处的温度出现畸变，影响了模拟结果的准确性，所以通过等温线综合分析，界定了叶身边缘处的温度最大值。从图中分析得知:叶身温度明显高于其他各处;榫头处温度相对较低;榫头与叶身连接的转角处温度居中。这主要是由于叶身变形较大，压力机对叶身所做的变形功都转化了热能，使得温度升高;又由于与模具接触导热，使得温度下降，两项综合作用使得叶身温度略有下降。榫头部分虽先发生变形，但变形量小，使得产生的变形热少，且模具温度低，与模具接触时间较长，使得温降明显。下压速度的不断增大，使叶片在变形过程中的温度差不断减少;这是由于下压速度的提升使得变形时间变短，坯料与模具之间的接触时间变短，导热减少;然而变形功产生的变形热并没有减少。

为了能更准确地反映叶片各部分温度变化的真实情况，从叶片上选取了 P1、P2、P3、P4、P5、P6几个特征点。并追踪这些点在终锻过程中的场量变化，被追踪点的位置如图6所示。

图7、图8分别为不同下压速度时的温度场和20mm/s时成形过程中不同点成形过程的温度-时间曲线。

图6 被追踪点的位置

图7是P4在不同下压速度时形成的温度-时间曲线。从图7分析得知，温度场分布规律相似，随着下压速度增大，叶身上的温降变小，主要是由于下压速度的增大使得变形时间变短，与模具间的导热时间变短所致。还可以看出，在不同的下压速度下都没有温升，主要是由于坯料比较小，而且模具温度比较低，压力机对坯料所做的变形功产生的热量小于坯料与模具之间的导热。

图7 不同下压速度时的温度场

图8 不同点成形过程的温度-时间曲线

图8是叶片的六个特征点在下压速度为20mm/s时形成的温度--时间曲线。从图8可以看出，变化规律相似，P1的位置温度下降速度大于其他各点;主要是由于P1点位于榫头位置，先发生变形，与模具接触时间长，导热较多;而其它各点温度变化大致相同，说明各个点与模具接触时间差不多，叶身变形相对比较均匀。

3.2 下压速度对叶片终锻过程应力场的影响

图9为不同下压速度时的等效应力图。

从图9可以看出，由于叶片的形状不规则，各个区域在同一时刻的变形量各不相同，故各处所受等效应力分布状况具有一定差异性，但应力场的分布规律仍然具有极高的相似性。叶身应力各处分布相对较均匀，由叶身两凸台连线向两侧的应力逐渐变大，凸台和榫头连接处应力比较小，圆角处的应力比较大;最大的应力出现在榫头和叶身交汇的拐角处，而且随着下压速度的增大，应力的最大值增大。这主要是由于随着下压速度的增大，促使金属的流动变快，短时间内在拐角处积聚了大量来自各处的金属，使位错塞积严重，应力方向复杂。为充满型腔则需要加大载荷，进而又产生了更大的应力。

图9 不同下压速度时的等效应力

3.3 下压速度对叶片终锻过程等效应变场的影响

图10为不同的下压速度时终锻叶片的等效应变图。

从图10可以看出，虽然叶身截面复杂，变形不一;但不同下压速度下叶身各部分变形规律相似，从纵向看，变形由中间向两边增大，榫头处应变值最较小，基本处于B级;叶身变形较大，基本是C和D级，最大的变成出现在飞边出，对于榫头和叶身连接处的应变居中;这主要是因为应变与坯料的变形量有关。基于对叶片成形特点的考虑，在设计时榫头的变形量小于叶身。然而随着下压速度的增大，应变的最大值减少，使叶身各部分变形趋于均匀，更有利于锻件质量的提高。

3.4 下压速度对叶片终锻过程载荷-时间曲线的影响

图11为不同下压速度时的载荷-时间曲线。

图10 不同下压速度时终锻叶片的等效应变

图11 不同下压速度时载荷-时间曲线

从图11可以看出，各个曲线的变化规律相似，随着时间的增加载荷不断加大，在变形初期，坯料与模具接触比较少，所以载荷较小。随着变形的进行，坯料与模具接触面积逐渐变大，坯料温度下降明显，变形抗力增大，为使形变继续则必须加大载荷。而且随着下压速度的增大，载荷也在不断增大，主要是由于过大的速度使得坯料来不及流动就开始变形，产生了较多的位错塞积，同时加工硬化明显。不断反复而且大的变形抗力也易造成模具的破坏，减少模具的使用寿命，故应选用较小的下压速度为宜。

4 结论

(1)运用三维设计软件Pro/E作为几何建模工具，设计并创建了预锻件及终锻模具。

(2)随着模具下压速度的增加，金属流动速度变快，缩短了坯料与模具间的导热，使温降降低，弥补了钛合金由于锻造温度范围窄所造成的缺陷，更有利于获得良好的锻件。

(3)在变形后期，由于坯料与模具间接触面积变大，导致摩擦增加;随着下压速度的增大，会使阻力变大，难以成形，而且也对模具破坏严重。因此要合理控制下压速度，取20～40mm/s为宜。

［1］赵树萍.吕双坤.钛合金在航空航天领域中的应用［J］.钛工业进展，2002，4(6):18 －21.

［2］《透平机械现代制造技术丛书》编委会.叶片制造技术［M］.北京:科学出版社，2002:57－61.

［3］史延沛，李淼泉，罗皎.TC4钛合金叶片锻造过程中晶粒尺寸的数值模拟［J］.锻压装备与制造技术，2009，23(2):101 －104.

［4］Huang X H，Zuo X R，Liu F Q，et al.Research progress and application of superplasticity in Ti6Al4V alloy［J］.Materials research and application，2010，1(4):23－26.

［5］蔡旺.叶片精锻过程三维热力耦合有限元模拟［D］.西安:西北工业大学，2002:1－10.

［6］齐广霞，闵慧娜，陈小峰.TA11钛合金叶片制坯过程三维热力耦合数值模拟［J］.锻压技术，2009，17(2):124－128.

［7］闵慧娜.钛合金二级叶片精锻过程数值模拟研究［D］.沈阳:沈阳理工大学，2009:14－15.

［8］程建霞，张立斌，蔡伟.TC4叶片超塑成形有限元模拟及其变形分析［J］.锻压技术，2005，17(2):56－59.

［9］薛善坤，刘雪梅，熊爱明，等.TC4合金叶片精锻过程的二维数值模拟［J］.机械科学与技术，2004，12(7):793－795.