第1章 绪论
1.1 引言
上世纪 50 年代，随着航空飞机进入超音速时代，钢、铝等传统结构材料无法满足更高的性能需求，而钛合金密度小、比强度高、耐腐蚀性和耐高温性能好，因此获得快速发展，并在航空工业领域得到了广泛应用。经过 60 多年的发展，钛合金作为先进航空飞机和航空发动机的主要材料之一，被广泛应用于飞机起落架、机身蒙皮和框、梁以及发动机的叶片、机盘等重要零部件的制造，并且其用量仍在不断上升。钛合金不仅能够显著减轻航空结构的重量，还可以明显提升安全性和可靠性，因此，钛合金的使用量已经成为航空飞机和发动机先进性的重要衡量指标之一[12-3]。
近年来，随着航空工业的快速发展，无论是军用飞机还是民用飞机，对于综合性能的要求都是越来越高。对军用飞机而言，除要求具有隐身性能和强续航能力外，更快的飞行速度尤为重要，对于民用飞机，则更侧重于容量、空间以及航行距离。随着飞机更新换代的速度越来越快，钛及其合金在飞机上的应用也是越来越多。其原因主要是钛及钛合金比强度高、耐腐蚀、耐高温。虽然钛及钛合金的密度大于铝及铝合金，但比钢的密度小将近一倍，因此钛合金虽然比铝材重，但比钢材轻很多。此外，通过合适的热处理制度进行强化，钛合金的强度可以提高到 1500MPa 以上，比强度能够得到明显提高，达到 33 左右。由于钢的比重大，如果要使钢达到相同的比强度，其强度必须达到 2600MPa 左右，但这是钢的强度极限，实际上很难实现。虽然钛合金的密度大于铝合金，相同体积下，钛合金的重量大于铝合金，但钛合金的强度远远大于铝合金，并且钛合金高温性能优异，因此在高温环境下使用，钛合金的优势明显强于铝合金。
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1.2 钛合金材料的应用与研究现状
1.2.1 钛合金在航空领域的应用
钛合金是一种质量轻、强度高、耐腐蚀的材料，由于具有较小的密度、较高的比强度和较好的耐腐蚀性等特点，在航空航天、武器制造以及核能发电等多个领域得到了广泛应用。作为一种新型金属结构材料，钛合金对于国防高新技术和武器装备的发展十分重要[7]。在航空工业中，钛及其合金的应用十分广泛，例如飞机发动机、起落架和导弹的主要材料就是钛合金。
随着近五十年来军用飞机和民用飞机的升级换代，钛合金的用量呈现出逐年上生的趋势。在军用飞机方面，俄罗斯的重型运输机和战斗机上使用了大量钛合金构件，如 Su-27和 IL-96 等机型的起落架和承力机构都是由钛合金制造[8]。另外，战斗机发动机的叶片和外壳等部位也常采用钛合金锻件。美国的 F-35 战斗机所用的钛合金质量占到飞机总质量的27%，而 F-22 战斗机所用的钛合金质量在飞机总质量中的比例高达 41%[9]。在民用飞机方面，钛合金的使用占比也在稳步提升。以空中客车公司为例，空客 A320 上的钛合金使用量占比为 4.5%，A340 上的钛合金使用量占比提高到了 6%，A380 上的钛合金使用量占比则达到了 10%。而在最新型的 A350 客机上，钛合金的使用量得到了进一步的提升，质量占比达到了 14%[10]。
由于我国在钛及钛合金方面的研究工作起步较晚，因此目前飞机上的钛合金使用量较小。在军用飞机方面，首先在歼 7 的发动机上使用了钛合金，经大范围的系统性研究后，TC4 钛合金被应用在歼 8 上，使歼 8 的重量减小了约 20kg。随着对钛合金研究的深入，钛合金逐渐应用到了歼 10、歼 11 等更多机型上。近年来，随着我国大飞机项目的研发不断深入，航空飞机上的钛合金锻件使用量将会不断提升。因此，应加大钛合金材料及其加工工艺在航空航天领域的研究力度，不断地提高钛合金材料的使用性能，从而满足航空工业发展的需要。
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第2章 锻造成形数值模拟理论基础与试验方法
2.1 刚粘塑性有限元法基本理论
2.1.1 刚粘塑性材料的假定条件
金属的塑性成形过程非常复杂，为便于数学上的处理，需要在数值模拟时作出一些必要假设和近似。本文对刚粘塑性材料作出如下基本假设[49]：
（1）忽略材料的弹性变形；（2）材料均匀且各向同性；（3）材料体积不变；（4）不考虑重力和惯性力的影响；（5）加载条件给出刚性区与塑性区的界限。
2.1.2 塑性力学基本方程和边界条件
如图 2-1 所示，设变形体的体积为 V，并在 V 内给定体力 pi；变形体的表面积为 S，并在 S 的力面 St上给定面力 qi，在 S 的速度面 Sv上给定速度 vi，那么材料在发生塑性变形时满足以下基本力学方程[50]：
图 2-1 平衡状态下的刚粘塑性物体
2.2 锻造中的热力耦合分析技术
2.2.1 传热问题基本理论
金属在塑性变形过程中，不仅通过其表面以对流和辐射的方式与外界环境进行热量交换，还以热传导的方式向模具传递热量，同时随着金属的变形，其与模具的接触面积不断增大， 而暴露在外界环境中的面积不断缩小，这就使得金属的散热条件不断地发生变化。金属表面的热量损失导致金属各部位的温度发生不同程度的下降，造成了温度的分布发生变化。而金属由于变形产生的热量引起金属温度升高，温度升高的程度与金属变形量的大小有关。在金属的热变形过程中上述两种情况是同时发生的，这就增加了精确求解金属温度场的难度。如果采用解析法对上述问题进行求解是相当困难的，因此应采用准确有效的有限元法。
2.2.2 锻造过程中的变形传热耦合分析
金属材料在热变形过程中，其内部的塑性变形和传热发生在同一时间域和空间域，然而由于变形和传热分别由瞬态刚塑性边值问题和瞬态热传导问题描述，因此对应的场量难以采用联立求解的方法分析。刚塑性有限元法采用增量法逐步解出工件的塑性变形有关的场量，而温度场则采用时间差分格式逐步积分得到。因此可以在某一瞬时分别计算变形和温度，并通过二者之间的联系，将它们的相互作用考虑进去，从而达到热变形过程的耦合分析。
图 3-1 微观组织选点位置
第 3 章 Ti55531 钛合金热变形行为研究...........................18
3.1 实验材料与方法.................... 18
3.2 Ti55531 钛合金应力-应变曲线分析 ............................. 19
第 4 章 锻造工艺设计及模拟结果分析.................31
4.1 锻造成形性分析及锻件图设计........................... 31
4.1.1 锻造成形性分析............................ 31
4.1.2 锻件图设计 ......................... 32
第 5 章 基于正交试验的成形工艺优化...................................43
5.1 正交试验方案及模拟结果................. 43
5.2 正交试验结果分析................................... 44
第5章 基于正交试验的成形工艺优化
5.1 正交试验方案及模拟结果
锻件的力学性能优良与否在很大程度上取决于其内部组织的均匀性，因此在锻造中应使锻件的内部组织尽量均匀。在锻造工艺生产中，锻造成形所需的载荷越大，相对应的压力机吨位也必须越大，这将会导致生产成本的提高。
在热锻成形过程中，若坯料的温度过低，则金属的变形抗力会过大，导致成形载荷过高，还会造成模具容易磨损甚至开裂；若温度过高，则会使锻件温度过高，导致晶粒明显长大，形成粗晶，造成锻件的力学性能降低[70]。变形速率对金属的变形抗力和内部组织同样具有较大影响，而在锻造中，材料的变形速率是由锻造速度决定的[71]。此外，模具温度直接影响锻件表层金属的流动性，进而影响锻件的成形载荷和内部组织。
所以，本文选取坯料温度 A、锻造速度 B 和模具温度 C 作为正交试验因素，因素水平如表 5-1 所示。将能够反映锻件内部组织均匀性的平均晶粒尺寸标准差 D、成形载荷 E 作为衡量指标，两个指标均为越小越好。根据表 5-2 中正交试验的安排，对 16 组方案进行有限元模拟，得到了不同因素水平组合下的平均晶粒尺寸标准差和成形载荷。
表 5-1 因素水平表
第6章 结论与展望
6.1 结论
材料的热变形是一个非常复杂的过程，通过有限元模拟技术分析和预测成形工艺和微观组织，对锻造工艺设计和实际生产有着十分重要的意义。本文研究和分析了 Ti55531 钛合金应力应变曲线，通过数据处理建立了该材料的本构方程和动态再结晶模型；将本构方程和再结晶动力学方程耦合进有限元模型中，对热压缩过程进行了模拟，并和实验结果进行了比较；在此基础上，设计了扭力臂热锻成形工艺和模具，建立有限元模型模拟了扭力臂成形过程，分析了成形结果，并针对存在的问题对成形工艺和模具进行了改进；最后利用正交试验法优化锻造工艺，得到了最佳锻造参数组合。本文主要取得如下成果：（1）基于 Ti55531 钛合金应力-应变数据，采用线性回归的方法对应力-应变数据进行处理和计算，得到了多组不同变形条件下 Q、A、n、α、β 之间的函数关系，从而建立了Ti55531 钛合金 Arrhenius 型双曲正弦本构方程，并通过将计算值与实验值进行对比，以及引入相关系数和平均相对误差对本构方程进行量化分析，验证了本构方程的准确性。通过进一步对压缩实验数据进行回归分析，得到了各变量与 Z 参数之间的函数关系，并使用Avrami 方程建立了 Ti55531 钛合金的动态再结晶临界应变模型、体积分数模型和晶粒尺寸模型。建立有限元模型对其进行模拟验证，对比模拟结果与实验结果，证明了动态再结晶模型的准确性。
（2）设计了扭力臂一模两件的成形工艺和锻造模具，建立了有限元模型并对扭力臂成形过程和锻造结果进行了研究和分析，发现此工艺存在锻件飞边大、材料利用率低、凸耳根部因汇流折叠严重、三角形深腔侧壁穿流现象严重等缺点。针对扭力臂一模两件成形工艺中存在的问题，进一步设计了“制坯+预锻+终锻”的锻造工艺以及带有阻力坎的预锻模具，并研究和分析了扭力臂的成形过程和锻造结果。分析结果证明了将圆柱形棒料加工成锥形预制坯以及采用带有阻力坎的预锻模具能够阻止金属向模具型腔两侧外流，从而使锻件三角形深腔侧壁仅发生十分轻微的穿流，并且可以有效减小锻件飞边，提高材料利用率；将锻造过程分为预锻和终锻，以及将预锻件三角形深腔侧壁的高度设计降低，并且深腔底部采用较大的倒角和圆角，可以有效抑制凸耳根部因汇流产生折叠。
参考文献（略）