TC4鈦合金分段加熱殘余應力控制技術研究

文/呂孝根，張海成，羅恒軍，向偉，黃星廣·中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司

鍛件加熱過程中溫度的不均勻分布會使鍛件產生較大殘余應力，造成鍛件產生裂紋或變形。改變加熱工藝以改善鍛件溫度分布不均勻程度，有助于降低鍛件加熱殘余應力。本文以某鈦合金鍛件為研究對象，探討了分段加熱工藝下溫度場以及殘余應力場的分布情況，并與連續加熱的結果作了對比分析，研究發現：預熱可以明顯降低加熱過程鍛件各部分的溫度差，采取合理的分段加熱工藝有助于改善溫度分布的不均勻程度；分段加熱時，在預熱和二段加熱的初期鍛件等效應力值最大，相比連續加熱降低了91MPa，可知分段加熱可以顯著降低鍛件的內應力，有利于保證鍛件質量。

隨著我國制造業的快速發展，對于材料性能的要求也變得越來越嚴格，對于新型材料的研究也越來越迫切。鈦及鈦合金由于比強度高，抗腐蝕，耐疲勞，高溫性能好等優點被廣泛地應用于航空航天領域，已經成為先進飛機結構件和發動機核心部件的首選材料。TC4鈦合金是一種中等強度的(α+β)型鈦合金，其綜合性能優良，塑性和沖擊韌性高，常作為重要零部件材料應用于航空、航天等領域。TC4鈦合金在經過鍛造后，需要進行適當的熱處理以獲得更好的組織和性能。但在生產中熱處理時間多以經驗進行控制，易造成資源的浪費；同時，生產中熱處理一般采用較為簡單的高溫加熱保溫工序，使鍛件以較高的升溫速度進行加熱，而鍛件由于具有一定的厚度，造成不同區域的升溫速率不同，形成溫度差產生較大殘余應力，從而導致熱變形的產生，對鍛件質量產生嚴重影響。目前已有學者對鈦合金在固溶、時效等熱處理方式下的組織性能變化作了相對深入細致的研究，但關于鈦合金分段加熱殘余應力控制技術方面的研究較少。

本文以某鈦合金鍛件為研究對象，通過ANSYS模擬仿真軟件，獲取了連續加熱工藝下鍛件溫度場以及殘余應力場的分布結果，并根據模擬結果設計了分段加熱工藝，對比分析了分段加熱工藝控制鍛件殘余應力的積極作用，對實際熱處理加熱工藝的制定以及通過分段加熱控制殘余應力具有重要的指導意義。

連續加熱模擬仿真分析

建立自由約束模型

圖1 鍛件的約束方式示意圖

連續加熱過程溫度場結果

圖2所示為鍛件連續加熱過程中不同時刻的溫度場分布云圖，從圖中可知，鍛件四周加熱較快，溫度高于鍛件內部；鍛件的中部兩側位置為溫度極值點，因為鍛件該位置相比其他位置更薄，溫度也就越高，其次在極值點處，該部分凸出，增加對流換熱的面積，使溫度提升最快。鍛件藍色區域為最小溫度區，主要在鍛件支腳處和較厚位置，支腳與爐子傳熱方式主要為熱傳導，相對較厚位置，加熱緩慢，與整體溫度相差較大。

圖2 鍛件連續加熱過程不同時刻溫度場分布云圖

鍛件加熱過程中，溫度的不均勻分布會使鍛件產生較大殘余應力，影響鍛件性能。圖3所示為連續加熱過程中鍛件上最高溫度和最低溫度、以及二者溫度差隨時間的變化曲線。在加熱初期，鍛件與熱處理爐溫差大，加熱速度快，鍛件各部位的形狀厚度不同導致溫差迅速增大，在600s時達到最大溫差200℃；隨后溫差逐漸減小，當鍛件上最低溫度升高至爐溫時，溫差降為0。

圖3 最高溫度和最低溫度及溫度差隨時間的變化曲線

鍛件在連續加熱過程中溫度分布不均勻程度較大。因此，若能夠通過改變加熱工藝改善鍛件上的溫度分布不均勻程度，勢必將有助于降低鍛件加熱過程的變形量。從曲線可知加熱到600s時溫差最大為200℃，建議可以在該溫度前，即通過熱處理前先在200～500℃進行預熱保溫，使鍛件各部分溫度均勻后再放入730℃熱處理爐，減小鍛件與熱處理爐的溫度差，這樣就能有效減小鍛件各部分溫度差，可能會改善鍛件熱處理應力分布情況。

連續加熱過程應力場結果

由圖4可知，加熱600s時鍛件上的熱應力分布極不均勻且最大應力達到165MPa，鍛件中部兩側邊緣的應力大于內部應力，這是由這些部位溫度梯度大，變形不均勻導致的。

圖4 600s時鍛件的等效應力分布云圖

圖5所示為加熱1200s和加熱結束時鍛件的等效應力分布云圖。圖5(a)為加熱1200s時的應力分布情況，對比加熱600s時，最大應力降低為144MPa。如圖5(b)所示，隨著加熱的進行，最大應力逐漸變小，鍛件各部分應力開始趨向于均勻化，加熱結束時，鍛件各部分應力相同，最大應力出現在施加約束的位置，為10MPa，因為其他部位為自由變形，當溫度趨于均勻后，應力也逐漸均勻并變小至接近于0，而施加約束部分，由于約束阻止其加熱過程的變形，該部分就會存在較大應力，不過約束只是3個節點，所以對加熱過程的變形影響不大，溫度均勻后應力也就相對不大。

圖5 加熱鍛件的等效應力分布改變規律

分段加熱模擬仿真分析

分段加熱工藝方案設計

為改善加熱過程鍛件溫度分布的不均勻性，降低變形量；本文設計了四種分段加熱工藝，并對其進行模擬。具體的分段加熱工藝為：

工藝1：將室溫鍛件在200℃入爐保溫8000s，然后升溫到730℃進行熱處理。

王曉晶在“2018年化肥市場形勢分析與后市展望”的報告中指出，目前我國化肥行業景氣度進一步提升，產能產量進一步縮減，供過于求轉變為供需基本平衡，特別是化肥價格為3-4年來的最高水平。但是當前農業需求減少、農民用肥積極性減弱，將會導致經營風險加大、社會庫存也處于歷史低位。

工藝2：將室溫鍛件在300℃入爐保溫8000s，然后升溫到730℃進行熱處理。

工藝3：將室溫鍛件在400℃入爐保溫8000s，然后升溫到730℃進行熱處理。

工藝4：將室溫鍛件在500℃入爐保溫8000s，然后升溫到730℃進行熱處理。

其分段加熱工藝如圖6所示。

圖6 四種分段加熱工藝

鍛件分段加熱溫度場

圖7分別為四種分段加熱工藝在預熱與第二段加熱過程中溫度差最大時的溫度分布云圖。

圖7 分段加熱工藝在預熱與第二段加熱過程中溫差最大時的溫度分布云圖

工藝1、2、3、4中分別在預熱到1200s，第二段加熱到600s左右時出現最大溫度差，不過由于在ANSYS軟件中，模擬時間步長為600s，其出現最大溫度差可能在600s或者1200s左右，其對結果分析影響不大。

從圖中可知，四種工藝下，鍛件的高低溫溫度場分布一致，和連續加熱時的溫度場分布也是一致的，不同的是最高溫度與最低溫度的差值不同，通過每種工藝下的溫度場云圖，預熱溫度越高，預熱階段加熱速度也就越快。

為更加直觀的觀測鍛件在加熱過程中的溫度變化與溫度差情況，繪制出如圖8所示的四種分段加熱過程中，鍛件上最高溫度、最低溫度以及二者溫度差的時間歷程曲線；

圖8 四種分段加熱工藝鍛件特征溫度—時間歷程曲線

由圖8可知，工藝1由于預熱溫度為200℃，鍛件與熱處理爐溫度相差不大，在預熱過程最高僅有28℃的溫差；在二段加熱過程，爐溫為730℃，溫度差極值出現在第二段加熱初期為164℃。

工藝2中，預熱溫度為300℃，溫度差極值還是出現在第二段加熱初期為118℃，預熱階段溫差最大為65℃，相比工藝1，在該工藝下，溫差極值降低，鍛件各部分溫度更加均勻，變形量也就更小，所以該工藝優于工藝1。

工藝3的預熱溫度為400℃，溫度差極值出現在預熱初期為89℃，第二階段的極值開始為88℃，相比工藝1和2，溫度差極大值預熱和第二階段幾乎相等，且比前述工藝小。

工藝4的預熱溫度為500℃，和工藝3一樣，溫度差極大值出現在預熱初期為103℃，第二階段溫度差最高為68℃。工藝4劣于工藝3。

通過以上分析可以看出，預熱可以明顯降低加熱過程鍛件各部分的溫度差，工藝3(預熱400℃)的溫度差極值最小，且在工藝2和工藝4兩種工藝間溫度差極大值由工藝2的第二加熱階段出現轉變為工藝4的預熱階段出現，由此可推斷，在400℃預熱為最優的預熱溫度。

圖9所示為連續加熱和4種分段加熱工藝下，鍛件上最大溫度差的時間歷程曲線；可以看出，在本文所選取的六種不同的加熱工藝下，加熱初期會出現最大的溫度差，除連續加熱外，其余四條分段加熱工藝下曲線的變化規律基本一致，即在預熱和第二段加熱初期出現溫度差最大值。對于分段加熱，發現在預熱300℃與預熱500℃的溫度差極大值由預熱300℃第二加熱階段出現轉變為預熱500℃的預熱階段出現。預熱400℃再加熱為最優熱處理工藝，其兩段加熱時的溫度差為89℃左右，鍛件的溫度均勻性得到改善，為最低溫度差，說明兩段加熱溫度達到平衡，是最佳匹配結果。

圖9 五種加熱工藝下鍛件的最大溫差—時間歷程曲線

根據以上結果，采取合理的分段加熱工藝有助于改善溫度分布不均勻程度。工藝3 (400℃入爐保溫8000s，然后升溫到730℃) 為較佳的分段加熱工藝。

分段加熱應力場

分別提取工藝3中預熱與第二段加熱過程中溫差最大時間附近的應力場，如圖10所示。其應力分布情況與連續加熱相似，最大應力同樣出現在鍛件內凹的直角處。如圖10(a)、(b)，在預熱400℃過程中，加熱到600s時鍛件等效應力最大為70MPa，加熱到1200s時，鍛件最大應力上升到74MPa，后面開始減小；第二段加熱應力最大出現在1000s時為66MPa，見圖10(c)、(d)。加熱結束時，同樣應力極值在約束位置，見圖 10(e)、(f)。

圖10 鍛件的等效應力分布云圖

綜上所述，在分段加熱時，同樣在預熱和第二段加熱的初期鍛件等效應力值最大，隨著加熱的進行，應力逐漸減小，到加熱結束時，最大應力集中在約束位置。

對比連續加熱，連續加熱整個加熱過程最大等效應力為165MPa，而分段加熱整個過程等效應力最大為74MPa，相比之下降低了91MPa，由此可知分段加熱可以顯著降低鍛件的內應力。因此，鍛件在此加熱過程結束時內部殘余應力較低，這對保證鍛件質量是有利的。

結論

本文以某鈦合金鍛件為研究對象，探討了連續加熱與分段加熱工藝下溫度場以及殘余應力場的分布情況，結論如下：

(1)鍛件在連續加熱過程中溫度分布不均勻程度較大，加熱到600s時鍛件溫差最大，為200℃；隨著加熱的進行，鍛件溫度趨于均勻化；

(2)連續加熱600s時鍛件上的熱應力分布極不均勻且最大應力達到165MPa，鍛件中部兩側邊緣的應力大于內部應力，這是由這些部位溫度梯度大，變形不均勻導致的；當溫度趨于均勻后，應力也逐漸均勻并變小至接近于0；

(3)分段加熱時，預熱溫度越高，預熱階段加熱速度也就越快；預熱可以明顯降低加熱過程鍛件各部分的溫度差，預熱400℃再加熱為最優熱處理工藝，其兩段加熱時的溫度差為89℃左右，鍛件的溫度均勻性得到改善；

(4)預熱400℃時，分段加熱整個過程等效應力最大為74MPa，相比連續加熱降低了91MPa，分段加熱可以顯著降低鍛件的內應力。