張 睿 左 正 高 蕾 李 達

(1.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川610031)

TA15鈦合金屬于近α型鈦合金，該合金在飛機結(jié)構(gòu)件中得到廣泛的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)形式包括主承力框、接頭、蒙皮、大型整體壁板等。TA15的主要強化機制是鍛后熱處理過程中，亞穩(wěn)定β相在臨界溫度以上發(fā)生分解，彌散析出的次生α相有固溶強化作用。與其它加工工藝相比，熱處理能在不改變工件形狀和整體化學(xué)成分的前提下較好地改善工件的內(nèi)在質(zhì)量。但鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為鋼的13，加熱過程中極易造成溫度的不均勻分布，從而在熱處理后引起較大的殘余變形，嚴(yán)重影響鍛件的質(zhì)量。因此，詳細研究鈦合金熱處理過程中的溫度場分布特征對制定合理的熱處理工藝、降低鍛件變形具有積極意義。

國內(nèi)外對鍛件熱處理過程溫度場及變形進行了大量的研究，但是由于熱處理溫度場及變形受零件形狀因素影響較大。因此，本文基于熱力學(xué)基本理論，針對某航空模鍛件，開展了以下三個方面的研究：(1)根據(jù)深埋熱電偶測量數(shù)據(jù)，采用反算法確定出TA15鍛件熱處理過程中的綜合換熱系數(shù)；(2)模擬了TA15鍛件連續(xù)加熱過程中的溫度場分布特征；(3)模擬了TA15鍛件分段加熱過程中的溫度場分布特征，從而期望為降低TA15鈦合金鍛件熱處理過程中的溫度分布差異及熱處理后的變形提供有利指導(dǎo)。

1 有限元模型建立

1.1 網(wǎng)格模型

本文以某TA15鈦合金鍛件為研究對象，根據(jù)實際尺寸建立有限元模型。

1.2 換熱系數(shù)確定

熱處理爐中鈦合金鍛件所受到的熱交換主要來自環(huán)境溫度與其表面的對流換熱以及爐膛內(nèi)壁對其的輻射換熱。無論是對流換熱還是輻射換熱，其換熱系數(shù)均是隨鍛件溫度的改變而不斷地變化。

因此本次溫度場計算采用綜合對流和輻射的換熱系數(shù)，并以換熱形式進行加載。為確保模擬結(jié)果盡可能與實際情況接近，鍛件熱處理過程中，在爐中同等位置處放置兩個不等尺寸的試塊，并在試塊的心部位置埋放熱電偶，動態(tài)測量出該部位的溫升曲線，結(jié)合有限元模型建立兩個同等形式試塊的加熱模型，通過對試塊的熱電偶試驗結(jié)合模擬結(jié)果反算出實際的換熱系數(shù)(見表1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍛件連續(xù)加熱過程溫度場模擬

為模擬鍛件實際加熱過程中的溫度場分布情況，進行連續(xù)加熱過程溫度場數(shù)值模擬。選擇與實際情況相同的850℃熱處理工藝曲線。

表1 熱處理過程中鍛件各部位的綜合換熱系數(shù)Table 1 Comprehensive heat transfer coefficient of various parts of the forging during heat treatment

從鍛件連續(xù)加熱過程中不同時刻的溫度場分布可知，整個加熱過程中，鍛件上存在溫度不均勻分布特征。鍛件加熱過程中，溫度的不均勻分布會引起鍛件產(chǎn)生應(yīng)變形，溫度差異越大，最終引起的變形程度越大。因此，若不控制加熱過程中鍛件溫度分布的不均勻性，將嚴(yán)重影響鍛件的尺寸精度，甚至于報廢，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。通過鍛件上最高溫度、最低溫度以及二者溫度差隨時間的變化曲線(見圖1)可以有效地反映鍛件上溫度分布的不均勻程度。從圖中可以看出，在加熱初期，溫差迅速增大，并在1200 s時達到最大溫差約為359℃；隨后溫差逐漸減小，當(dāng)鍛件上最低溫度升高至爐溫時，溫差降為零。

(a)分段工藝1(b)分段工藝2(c)分段工藝3

圖3 三種分段加熱工藝下的鍛件特征溫度-時間曲線
Figure 3 Characteristic temperature-time curve of forgings in three sectional heating processes

如上所述，鍛件在連續(xù)加熱過程中溫度分布不均勻程度較大，且整個加熱過程中最大溫差數(shù)值較大。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。

2.2 鍛件分段加熱過程溫度場模擬

為了改善熱處理過程中鍛件溫度分布的不均勻性，本文模擬了三種不同的分段加熱工藝(見圖2)下鍛件的溫度場分布，以期能夠改善加熱過程中的溫度分布不均勻程度。其中分段工藝1：加熱到1200 s時保溫30 min，后繼續(xù)按原有加熱速度升溫到850℃并保溫。分段工藝2：加熱到600 s時保溫30 min，后繼續(xù)按原有加熱速度升溫到850℃并保溫。分段工藝3：加熱到600 s時保溫60 min，后繼續(xù)按原有加熱速度升溫到850℃并保溫。

從三種分段加熱工藝下的鍛件最高溫度、最低溫度以及二者溫度差的時間歷程曲線(見圖3)可知，三種分段加熱工藝下鍛件的特征溫度曲線

與連續(xù)加熱工藝相近，鍛件均在1200 s時存在最大溫差。其中，分段工藝1的最大溫差與連續(xù)加熱一樣，均為359℃左右。而分段工藝2和分段工藝3的最大溫差均為345℃左右，此溫差雖然小于連續(xù)加熱和分段工藝1，但差異并不大。此外，不同的加熱工藝對鍛件上最高溫度的影響程度大于最低溫度。

綜上所述，在本文所選取的三種不同的分段加熱工藝對鍛件溫度場分布的影響區(qū)別不大，三種分段加熱工藝并未能夠有效地改善鍛件溫度分布的不均勻性。但通過詳細分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著分段保溫的時間越提前，鍛件的最大溫差越??；分段保溫時間越長，鍛件的溫度均勻性將得到改善。因此只要采取合理的分段加熱工藝，將肯定有助于改善溫度分布的不均勻程度。本文試驗導(dǎo)致差異不大的原因在于實際鍛件的熱處理是到溫入爐，爐溫的溫度變化范圍非常小，導(dǎo)致不同分段加熱工藝之間的區(qū)分度并不大。采用隨爐升溫的方式對鍛件進行熱處理，由于隨爐升溫過程中爐溫變化幅度大，若此時采用分段加熱方法將有助于改善溫度的不均勻程度，進而有助于降低鍛件的變形量。

3 結(jié)論

(1)TA15鈦合金鍛件連續(xù)加熱過程中溫度分布極不均勻，在加熱到1200 s左右時鍛件上存在最大溫度差為359℃。加熱到12 600 s左右時，鍛件整體被透熱。

(2)采用分段加熱工藝將有助于改善鍛件的溫度分布差異，且隨著分段保溫的時間越提前，分段保溫時間越長，改善效果越明顯。

(3)本文選取的分段加熱工藝溫度變化范圍較窄，因此三種分段加熱工藝對改善鍛件的溫度分布差異效果不明顯。