TC4钛合金分段加热残余应力控制技术研究

文/吕孝根，张海成，罗恒军，向伟，黄星广·中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司

锻件加热过程中温度的不均匀分布会使锻件产生较大残余应力，造成锻件产生裂纹或变形。改变加热工艺以改善锻件温度分布不均匀程度，有助于降低锻件加热残余应力。本文以某钛合金锻件为研究对象，探讨了分段加热工艺下温度场以及残余应力场的分布情况，并与连续加热的结果作了对比分析，研究发现：预热可以明显降低加热过程锻件各部分的温度差，采取合理的分段加热工艺有助于改善温度分布的不均匀程度；分段加热时，在预热和二段加热的初期锻件等效应力值最大，相比连续加热降低了91MPa，可知分段加热可以显著降低锻件的内应力，有利于保证锻件质量。

随着我国制造业的快速发展，对于材料性能的要求也变得越来越严格，对于新型材料的研究也越来越迫切。钛及钛合金由于比强度高，抗腐蚀，耐疲劳，高温性能好等优点被广泛地应用于航空航天领域，已经成为先进飞机结构件和发动机核心部件的首选材料。TC4钛合金是一种中等强度的(α+β)型钛合金，其综合性能优良，塑性和冲击韧性高，常作为重要零部件材料应用于航空、航天等领域。TC4钛合金在经过锻造后，需要进行适当的热处理以获得更好的组织和性能。但在生产中热处理时间多以经验进行控制，易造成资源的浪费；同时，生产中热处理一般采用较为简单的高温加热保温工序，使锻件以较高的升温速度进行加热，而锻件由于具有一定的厚度，造成不同区域的升温速率不同，形成温度差产生较大残余应力，从而导致热变形的产生，对锻件质量产生严重影响。目前已有学者对钛合金在固溶、时效等热处理方式下的组织性能变化作了相对深入细致的研究，但关于钛合金分段加热残余应力控制技术方面的研究较少。

本文以某钛合金锻件为研究对象，通过ANSYS模拟仿真软件，获取了连续加热工艺下锻件温度场以及残余应力场的分布结果，并根据模拟结果设计了分段加热工艺，对比分析了分段加热工艺控制锻件残余应力的积极作用，对实际热处理加热工艺的制定以及通过分段加热控制残余应力具有重要的指导意义。

连续加热模拟仿真分析

建立自由约束模型

图1 锻件的约束方式示意图

连续加热过程温度场结果

图2所示为锻件连续加热过程中不同时刻的温度场分布云图，从图中可知，锻件四周加热较快，温度高于锻件内部；锻件的中部两侧位置为温度极值点，因为锻件该位置相比其他位置更薄，温度也就越高，其次在极值点处，该部分凸出，增加对流换热的面积，使温度提升最快。锻件蓝色区域为最小温度区，主要在锻件支脚处和较厚位置，支脚与炉子传热方式主要为热传导，相对较厚位置，加热缓慢，与整体温度相差较大。

图2 锻件连续加热过程不同时刻温度场分布云图

锻件加热过程中，温度的不均匀分布会使锻件产生较大残余应力，影响锻件性能。图3所示为连续加热过程中锻件上最高温度和最低温度、以及二者温度差随时间的变化曲线。在加热初期，锻件与热处理炉温差大，加热速度快，锻件各部位的形状厚度不同导致温差迅速增大，在600s时达到最大温差200℃；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0。

图3 最高温度和最低温度及温度差随时间的变化曲线

锻件在连续加热过程中温度分布不均匀程度较大。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。从曲线可知加热到600s时温差最大为200℃，建议可以在该温度前，即通过热处理前先在200～500℃进行预热保温，使锻件各部分温度均匀后再放入730℃热处理炉，减小锻件与热处理炉的温度差，这样就能有效减小锻件各部分温度差，可能会改善锻件热处理应力分布情况。

连续加热过程应力场结果

由图4可知，加热600s时锻件上的热应力分布极不均匀且最大应力达到165MPa，锻件中部两侧边缘的应力大于内部应力，这是由这些部位温度梯度大，变形不均匀导致的。

图4 600s时锻件的等效应力分布云图

图5所示为加热1200s和加热结束时锻件的等效应力分布云图。图5(a)为加热1200s时的应力分布情况，对比加热600s时，最大应力降低为144MPa。如图5(b)所示，随着加热的进行，最大应力逐渐变小，锻件各部分应力开始趋向于均匀化，加热结束时，锻件各部分应力相同，最大应力出现在施加约束的位置，为10MPa，因为其他部位为自由变形，当温度趋于均匀后，应力也逐渐均匀并变小至接近于0，而施加约束部分，由于约束阻止其加热过程的变形，该部分就会存在较大应力，不过约束只是3个节点，所以对加热过程的变形影响不大，温度均匀后应力也就相对不大。

图5 加热锻件的等效应力分布改变规律

分段加热模拟仿真分析

分段加热工艺方案设计

为改善加热过程锻件温度分布的不均匀性，降低变形量；本文设计了四种分段加热工艺，并对其进行模拟。具体的分段加热工艺为：

工艺1：将室温锻件在200℃入炉保温8000s，然后升温到730℃进行热处理。

王晓晶在“2018年化肥市场形势分析与后市展望”的报告中指出，目前我国化肥行业景气度进一步提升，产能产量进一步缩减，供过于求转变为供需基本平衡，特别是化肥价格为3-4年来的最高水平。但是当前农业需求减少、农民用肥积极性减弱，将会导致经营风险加大、社会库存也处于历史低位。

工艺2：将室温锻件在300℃入炉保温8000s，然后升温到730℃进行热处理。

工艺3：将室温锻件在400℃入炉保温8000s，然后升温到730℃进行热处理。

工艺4：将室温锻件在500℃入炉保温8000s，然后升温到730℃进行热处理。

其分段加热工艺如图6所示。

图6 四种分段加热工艺

锻件分段加热温度场

图7分别为四种分段加热工艺在预热与第二段加热过程中温度差最大时的温度分布云图。

图7 分段加热工艺在预热与第二段加热过程中温差最大时的温度分布云图

工艺1、2、3、4中分别在预热到1200s，第二段加热到600s左右时出现最大温度差，不过由于在ANSYS软件中，模拟时间步长为600s，其出现最大温度差可能在600s或者1200s左右，其对结果分析影响不大。

从图中可知，四种工艺下，锻件的高低温温度场分布一致，和连续加热时的温度场分布也是一致的，不同的是最高温度与最低温度的差值不同，通过每种工艺下的温度场云图，预热温度越高，预热阶段加热速度也就越快。

为更加直观的观测锻件在加热过程中的温度变化与温度差情况，绘制出如图8所示的四种分段加热过程中，锻件上最高温度、最低温度以及二者温度差的时间历程曲线；

图8 四种分段加热工艺锻件特征温度—时间历程曲线

由图8可知，工艺1由于预热温度为200℃，锻件与热处理炉温度相差不大，在预热过程最高仅有28℃的温差；在二段加热过程，炉温为730℃，温度差极值出现在第二段加热初期为164℃。

工艺2中，预热温度为300℃，温度差极值还是出现在第二段加热初期为118℃，预热阶段温差最大为65℃，相比工艺1，在该工艺下，温差极值降低，锻件各部分温度更加均匀，变形量也就更小，所以该工艺优于工艺1。

工艺3的预热温度为400℃，温度差极值出现在预热初期为89℃，第二阶段的极值开始为88℃，相比工艺1和2，温度差极大值预热和第二阶段几乎相等，且比前述工艺小。

工艺4的预热温度为500℃，和工艺3一样，温度差极大值出现在预热初期为103℃，第二阶段温度差最高为68℃。工艺4劣于工艺3。

通过以上分析可以看出，预热可以明显降低加热过程锻件各部分的温度差，工艺3(预热400℃)的温度差极值最小，且在工艺2和工艺4两种工艺间温度差极大值由工艺2的第二加热阶段出现转变为工艺4的预热阶段出现，由此可推断，在400℃预热为最优的预热温度。

图9所示为连续加热和4种分段加热工艺下，锻件上最大温度差的时间历程曲线；可以看出，在本文所选取的六种不同的加热工艺下，加热初期会出现最大的温度差，除连续加热外，其余四条分段加热工艺下曲线的变化规律基本一致，即在预热和第二段加热初期出现温度差最大值。对于分段加热，发现在预热300℃与预热500℃的温度差极大值由预热300℃第二加热阶段出现转变为预热500℃的预热阶段出现。预热400℃再加热为最优热处理工艺，其两段加热时的温度差为89℃左右，锻件的温度均匀性得到改善，为最低温度差，说明两段加热温度达到平衡，是最佳匹配结果。

图9 五种加热工艺下锻件的最大温差—时间历程曲线

根据以上结果，采取合理的分段加热工艺有助于改善温度分布不均匀程度。工艺3 (400℃入炉保温8000s，然后升温到730℃) 为较佳的分段加热工艺。

分段加热应力场

分别提取工艺3中预热与第二段加热过程中温差最大时间附近的应力场，如图10所示。其应力分布情况与连续加热相似，最大应力同样出现在锻件内凹的直角处。如图10(a)、(b)，在预热400℃过程中，加热到600s时锻件等效应力最大为70MPa，加热到1200s时，锻件最大应力上升到74MPa，后面开始减小；第二段加热应力最大出现在1000s时为66MPa，见图10(c)、(d)。加热结束时，同样应力极值在约束位置，见图 10(e)、(f)。

图10 锻件的等效应力分布云图

综上所述，在分段加热时，同样在预热和第二段加热的初期锻件等效应力值最大，随着加热的进行，应力逐渐减小，到加热结束时，最大应力集中在约束位置。

对比连续加热，连续加热整个加热过程最大等效应力为165MPa，而分段加热整个过程等效应力最大为74MPa，相比之下降低了91MPa，由此可知分段加热可以显著降低锻件的内应力。因此，锻件在此加热过程结束时内部残余应力较低，这对保证锻件质量是有利的。

结论

本文以某钛合金锻件为研究对象，探讨了连续加热与分段加热工艺下温度场以及残余应力场的分布情况，结论如下：

(1)锻件在连续加热过程中温度分布不均匀程度较大，加热到600s时锻件温差最大，为200℃；随着加热的进行，锻件温度趋于均匀化；

(2)连续加热600s时锻件上的热应力分布极不均匀且最大应力达到165MPa，锻件中部两侧边缘的应力大于内部应力，这是由这些部位温度梯度大，变形不均匀导致的；当温度趋于均匀后，应力也逐渐均匀并变小至接近于0；

(3)分段加热时，预热温度越高，预热阶段加热速度也就越快；预热可以明显降低加热过程锻件各部分的温度差，预热400℃再加热为最优热处理工艺，其两段加热时的温度差为89℃左右，锻件的温度均匀性得到改善；

(4)预热400℃时，分段加热整个过程等效应力最大为74MPa，相比连续加热降低了91MPa，分段加热可以显著降低锻件的内应力。