文/呂孝根，張海成，羅恒軍，向偉，黃星廣·中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司

鍛件加熱過(guò)程中溫度的不均勻分布會(huì)使鍛件產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，造成鍛件產(chǎn)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(yīng)力。本文以某鈦合金鍛件為研究對(duì)象，探討了分段加熱工藝下溫度場(chǎng)以及殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，并與連續(xù)加熱的結(jié)果作了對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)：預(yù)熱可以明顯降低加熱過(guò)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(shí)，在預(yù)熱和二段加熱的初期鍛件等效應(yīng)力值最大，相比連續(xù)加熱降低了91MPa，可知分段加熱可以顯著降低鍛件的內(nèi)應(yīng)力，有利于保證鍛件質(zhì)量。

隨著我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于材料性能的要求也變得越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于新型材料的研究也越來(lái)越迫切。鈦及鈦合金由于比強(qiáng)度高，抗腐蝕，耐疲勞，高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，已經(jīng)成為先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的首選材料。TC4鈦合金是一種中等強(qiáng)度的(α+β)型鈦合金，其綜合性能優(yōu)良，塑性和沖擊韌性高，常作為重要零部件材料應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。TC4鈦合金在經(jīng)過(guò)鍛造后，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硪垣@得更好的組織和性能。但在生產(chǎn)中熱處理時(shí)間多以經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，易造成資源的浪費(fèi)；同時(shí)，生產(chǎn)中熱處理一般采用較為簡(jiǎn)單的高溫加熱保溫工序，使鍛件以較高的升溫速度進(jìn)行加熱，而鍛件由于具有一定的厚度，造成不同區(qū)域的升溫速率不同，形成溫度差產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致熱變形的產(chǎn)生，對(duì)鍛件質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。目前已有學(xué)者對(duì)鈦合金在固溶、時(shí)效等熱處理方式下的組織性能變化作了相對(duì)深入細(xì)致的研究，但關(guān)于鈦合金分段加熱殘余應(yīng)力控制技術(shù)方面的研究較少。

本文以某鈦合金鍛件為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS模擬仿真軟件，獲取了連續(xù)加熱工藝下鍛件溫度場(chǎng)以及殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布結(jié)果，并根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了分段加熱工藝，對(duì)比分析了分段加熱工藝控制鍛件殘余應(yīng)力的積極作用，對(duì)實(shí)際熱處理加熱工藝的制定以及通過(guò)分段加熱控制殘余應(yīng)力具有重要的指導(dǎo)意義。

連續(xù)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(xù)加熱過(guò)程溫度場(chǎng)結(jié)果

圖2所示為鍛件連續(xù)加熱過(guò)程中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖，從圖中可知，鍛件四周加熱較快，溫度高于鍛件內(nèi)部；鍛件的中部?jī)蓚?cè)位置為溫度極值點(diǎn)，因?yàn)殄懠撐恢孟啾绕渌恢酶。瑴囟纫簿驮礁?，其次在極值點(diǎn)處，該部分凸出，增加對(duì)流換熱的面積，使溫度提升最快。鍛件藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽钚囟葏^(qū)，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(dǎo)，相對(duì)較厚位置，加熱緩慢，與整體溫度相差較大。

圖2 鍛件連續(xù)加熱過(guò)程不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布云圖

鍛件加熱過(guò)程中，溫度的不均勻分布會(huì)使鍛件產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，影響鍛件性能。圖3所示為連續(xù)加熱過(guò)程中鍛件上最高溫度和最低溫度、以及二者溫度差隨時(shí)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(dǎo)致溫差迅速增大，在600s時(shí)達(dá)到最大溫差200℃；隨后溫差逐漸減小，當(dāng)鍛件上最低溫度升高至爐溫時(shí)，溫差降為0。

圖3 最高溫度和最低溫度及溫度差隨時(shí)間的變化曲線

鍛件在連續(xù)加熱過(guò)程中溫度分布不均勻程度較大。因此，若能夠通過(guò)改變加熱工藝改善鍛件上的溫度分布不均勻程度，勢(shì)必將有助于降低鍛件加熱過(guò)程的變形量。從曲線可知加熱到600s時(shí)溫差最大為200℃，建議可以在該溫度前，即通過(guò)熱處理前先在200～500℃進(jìn)行預(yù)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(huì)改善鍛件熱處理應(yīng)力分布情況。

連續(xù)加熱過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果

由圖4可知，加熱600s時(shí)鍛件上的熱應(yīng)力分布極不均勻且最大應(yīng)力達(dá)到165MPa，鍛件中部?jī)蓚?cè)邊緣的應(yīng)力大于內(nèi)部應(yīng)力，這是由這些部位溫度梯度大，變形不均勻?qū)е碌摹?/p>

圖4 600s時(shí)鍛件的等效應(yīng)力分布云圖

圖5所示為加熱1200s和加熱結(jié)束時(shí)鍛件的等效應(yīng)力分布云圖。圖5(a)為加熱1200s時(shí)的應(yīng)力分布情況，對(duì)比加熱600s時(shí)，最大應(yīng)力降低為144MPa。如圖5(b)所示，隨著加熱的進(jìn)行，最大應(yīng)力逐漸變小，鍛件各部分應(yīng)力開(kāi)始趨向于均勻化，加熱結(jié)束時(shí)，鍛件各部分應(yīng)力相同，最大應(yīng)力出現(xiàn)在施加約束的位置，為10MPa，因?yàn)槠渌课粸樽杂勺冃?，?dāng)溫度趨于均勻后，應(yīng)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(guò)程的變形，該部分就會(huì)存在較大應(yīng)力，不過(guò)約束只是3個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以對(duì)加熱過(guò)程的變形影響不大，溫度均勻后應(yīng)力也就相對(duì)不大。

圖5 加熱鍛件的等效應(yīng)力分布改變規(guī)律

分段加熱模擬仿真分析

分段加熱工藝方案設(shè)計(jì)

為改善加熱過(guò)程鍛件溫度分布的不均勻性，降低變形量；本文設(shè)計(jì)了四種分段加熱工藝，并對(duì)其進(jìn)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(jìn)行熱處理。

王曉晶在“2018年化肥市場(chǎng)形勢(shì)分析與后市展望”的報(bào)告中指出，目前我國(guó)化肥行業(yè)景氣度進(jìn)一步提升，產(chǎn)能產(chǎn)量進(jìn)一步縮減，供過(guò)于求轉(zhuǎn)變?yōu)楣┬杌酒胶?，特別是化肥價(jià)格為3-4年來(lái)的最高水平。但是當(dāng)前農(nóng)業(yè)需求減少、農(nóng)民用肥積極性減弱，將會(huì)導(dǎo)致經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)加大、社會(huì)庫(kù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(chǎng)

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

圖7 分段加熱工藝在預(yù)熱與第二段加熱過(guò)程中溫差最大時(shí)的溫度分布云圖

工藝1、2、3、4中分別在預(yù)熱到1200s，第二段加熱到600s左右時(shí)出現(xiàn)最大溫度差，不過(guò)由于在ANSYS軟件中，模擬時(shí)間步長(zhǎng)為600s，其出現(xiàn)最大溫度差可能在600s或者1200s左右，其對(duì)結(jié)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(chǎng)分布一致，和連續(xù)加熱時(shí)的溫度場(chǎng)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(guò)每種工藝下的溫度場(chǎng)云圖，預(yù)熱溫度越高，預(yù)熱階段加熱速度也就越快。

為更加直觀的觀測(cè)鍛件在加熱過(guò)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(guò)程中，鍛件上最高溫度、最低溫度以及二者溫度差的時(shí)間歷程曲線；

圖8 四種分段加熱工藝鍛件特征溫度—時(shí)間歷程曲線

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

工藝2中，預(yù)熱溫度為300℃，溫度差極值還是出現(xiàn)在第二段加熱初期為118℃，預(yù)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(yōu)于工藝1。

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

工藝4的預(yù)熱溫度為500℃，和工藝3一樣，溫度差極大值出現(xiàn)在預(yù)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(guò)以上分析可以看出，預(yù)熱可以明顯降低加熱過(guò)程鍛件各部分的溫度差，工藝3(預(yù)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(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣に?的預(yù)熱階段出現(xiàn)，由此可推斷，在400℃預(yù)熱為最優(yōu)的預(yù)熱溫度。

圖9所示為連續(xù)加熱和4種分段加熱工藝下，鍛件上最大溫度差的時(shí)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(huì)出現(xiàn)最大的溫度差，除連續(xù)加熱外，其余四條分段加熱工藝下曲線的變化規(guī)律基本一致，即在預(yù)熱和第二段加熱初期出現(xiàn)溫度差最大值。對(duì)于分段加熱，發(fā)現(xiàn)在預(yù)熱300℃與預(yù)熱500℃的溫度差極大值由預(yù)熱300℃第二加熱階段出現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)熱500℃的預(yù)熱階段出現(xiàn)。預(yù)熱400℃再加熱為最優(yōu)熱處理工藝，其兩段加熱時(shí)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(shuō)明兩段加熱溫度達(dá)到平衡，是最佳匹配結(jié)果。

圖9 五種加熱工藝下鍛件的最大溫差—時(shí)間歷程曲線

根據(jù)以上結(jié)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(yīng)力場(chǎng)

分別提取工藝3中預(yù)熱與第二段加熱過(guò)程中溫差最大時(shí)間附近的應(yīng)力場(chǎng)，如圖10所示。其應(yīng)力分布情況與連續(xù)加熱相似，最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在鍛件內(nèi)凹的直角處。如圖10(a)、(b)，在預(yù)熱400℃過(guò)程中，加熱到600s時(shí)鍛件等效應(yīng)力最大為70MPa，加熱到1200s時(shí)，鍛件最大應(yīng)力上升到74MPa，后面開(kāi)始減??；第二段加熱應(yīng)力最大出現(xiàn)在1000s時(shí)為66MPa，見(jiàn)圖10(c)、(d)。加熱結(jié)束時(shí)，同樣應(yīng)力極值在約束位置，見(jiàn)圖 10(e)、(f)。

圖10 鍛件的等效應(yīng)力分布云圖

綜上所述，在分段加熱時(shí)，同樣在預(yù)熱和第二段加熱的初期鍛件等效應(yīng)力值最大，隨著加熱的進(jìn)行，應(yīng)力逐漸減小，到加熱結(jié)束時(shí)，最大應(yīng)力集中在約束位置。

對(duì)比連續(xù)加熱，連續(xù)加熱整個(gè)加熱過(guò)程最大等效應(yīng)力為165MPa，而分段加熱整個(gè)過(guò)程等效應(yīng)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(nèi)應(yīng)力。因此，鍛件在此加熱過(guò)程結(jié)束時(shí)內(nèi)部殘余應(yīng)力較低，這對(duì)保證鍛件質(zhì)量是有利的。

結(jié)論

本文以某鈦合金鍛件為研究對(duì)象，探討了連續(xù)加熱與分段加熱工藝下溫度場(chǎng)以及殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，結(jié)論如下：

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

(2)連續(xù)加熱600s時(shí)鍛件上的熱應(yīng)力分布極不均勻且最大應(yīng)力達(dá)到165MPa，鍛件中部?jī)蓚?cè)邊緣的應(yīng)力大于內(nèi)部應(yīng)力，這是由這些部位溫度梯度大，變形不均勻?qū)е碌?；?dāng)溫度趨于均勻后，應(yīng)力也逐漸均勻并變小至接近于0；

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

(4)預(yù)熱400℃時(shí)，分段加熱整個(gè)過(guò)程等效應(yīng)力最大為74MPa，相比連續(xù)加熱降低了91MPa，分段加熱可以顯著降低鍛件的內(nèi)應(yīng)力。