TC4钛合金属于α＋β型两相钛合金，具有优异的综合力学性能、良好的焊接性能，长期使用温度可达400℃，因而在航空航天、舰船和海洋工程等领域得到广泛的应用，如用作叶片、盘、梁和紧固件等。由于TC4钛合金的变形性能对工艺参数较为敏感，成形难度较大，热加工工艺参数设计不合理易导致在实际锻造过程中出现各种各样的缺陷，如开裂、折叠和流线失稳等。传统锻造工艺的制定主要是建立在经验基础上，通过不断调整工艺参数和修改模具等方法得到较佳的工艺路线，不仅研发周期长，而且锻件的质量难以保证。随着数值模拟技术的发展，可以采用模拟技术对金属成形过程进行分析，掌握变形过程中各种场量的变化情况，并对变形过程中工件的充型能 力、内部缺陷进行预测，为锻造工艺的制定提供重要的参考。
大型鼓筒锻件具有结构复杂、腔深壁薄等特点，不但成形难度大，而且存在组织粗化及超声检测杂波增高的现象，因此成形设备和热加工工艺参数的选择是研制的难点。为了节约工艺验证的成本，本研究中对大型鼓筒锻件进行了不同锻造方式的模拟和组织预测，以期为优化其热变形工艺提供数据支撑。
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锻造过程模拟
采用DEFORM-2D软件对TC4钛合金鼓筒锻件的对击锤锻造和液压机锻造过程进行数值模拟。锻造用坯料取自TC4钛合金棒坯，模具材料为5CrNiMo合金。模拟边界条件：环境温度为20℃，坯料与模具的换热系数为4000W/(m2·K)，坯料与周围环境的换热系数为 400W/(m2·K)，接触面摩擦因子取0.2。对击锤锻造模拟的初始条件：坯料温度为950℃，运料时间为30s，对击锤打击能量为1MJ，气压为0.8~0.9MPa，锤击间隔为5s，模具预热温度为300℃，坯料形状为环形，外径为840mm，内径为470mm，高度为450mm，筒体朝上方式成形；液压机锻造模拟的初始条件：坯料温度为945℃，运料时间为30s，变形速度为5~10mm/s，模具预热温度为350℃，坯料形状为实心圆形，外径为384mm，高度为240mm，筒体朝下方式成形。依据对击锤、液压机的设备能力以及锻件尺寸，设计了对击锤锻造和液压机锻造2种工艺的锻件毛坯图，如下图所示，图中虚线部分为锻件交付图。
TC4钛合金锻件毛坯尺寸图2
组织预测
为了预测锻件微观组织演变，分别在β相变点以下100、60、40、20℃对TC4钛合金坯料进行固溶处理。对DEFORM-2D软件的子程序进行扩展，观察不同温度固溶处理的坯料经锻造后所得TC4钛合金锻件的微观组织。按GB/T 5168—2020标准中图E对TC4钛合金锻件进行初生α相统计，建立等轴初生α相含量与固溶温度的关系曲线。将等轴α相含量与固溶温度的关系编译到软件的子程序中。根据锻件温度场和锻件截面形状对初生α相含量进行模拟，并选取锻件边缘和心部2个特殊点进行组织验证。组织验证用TC4钛合金锻件的相变点为995℃，锻件边缘和心部的金相试样首先经过粗磨、精磨和机械抛光后，用Kroll腐蚀液（HF、HNO3、H2O体积比为1:2:17）进行腐蚀，采用Leica DMI 3000M型卧式金相显微镜进行组织观察。
液压机锻造过程的数值模拟
下图中图a为建立的液压机锻造TC4钛合金坯料的模型。第一火锻造完成后，锻件的等效应变和温度分布如图b所示。从图b左侧部分的等效应变分布情况可以看出，锻件心部等效应变最大，基本在1.25~1.75范围内，这是因为锻造初始阶段，坯料发生镦粗变形，心部变形最大。锻件两侧由于受到模具的约束，能够产生较大的塑性变形，其等效应变基本在0.75~1.25范围内，锻件两侧的下端为自由变形端，等效应变最小，基本在0~0.5范围内。从图b右侧部分的温度分布情况可以看出，锻件的温度分布情况与等效应变的分布情况相对应，即等效应变越大的部位，温度越高。锻件心部的温度最高，基本在955~960℃范围内，锻件两侧的温度较低，基本在945~955℃范围内，工件的整体温升在0~15℃范围内，整体温升较小，温度分布较为均匀。第二火锻造完成后，锻件的等效应变和温度分布如图c所示。从图c左侧部分的等效应变分布情况可以看出，锻件心部的轴向高度降低明显，产生了很大的塑性变形，其等效应变最大，基本在1.5~2.0范围内。锻件两侧同样产生了较大的变形，可以看成是一个反挤压的过程，锻件两侧靠近上模部位的等效应变较大，主要在1.0~2.0范围内，两侧靠近下模部位的等效应变较小，主要在0.25~1.0范围内，整体分布较为均匀。图c右侧部分的温度分布情况与等效应变的分布情况相对应，等效应变较大的部位温升在10~15℃范围内，其余等效应变较小的部位温升在0~10℃范围内。由于第二火锻造完成后的等效应变分布没有第一火锻造完成后的等效应变均匀，因而其整体温度分布存在一定的梯度，但是两火累加的等效应变分布相对均匀。液压机锻造TC4钛合金锻件的数值模拟图：(a)坯料模型；(b)一火锻造后；(c)二火锻造后
对击锤锻造过程的数值模拟
下图中图a为建立的对击锤锻造TC4钛合金坯料的模型，图b~d为不同坯料内侧倾角下的锻造数值模拟图。从图b、c可知，坯料从成形的开始阶段即产生了类似切削的缺陷，其原因是变形开始阶段主要是坯料外扩的过程，此时与坯料内侧对应的模具上模倾角与坯料内侧倾角相差较大时（图b内侧倾角为0°，图c内侧倾角为15°），坯料外扩后，内侧有较多多余的金属无法通过挤压变形向加载方向流动，随着变形的进行，此部分多余的金属在对击锤的高速冲击作用下产生了类似切削的缺陷。如图d所示，当坯料内侧倾角为10°时，坯料内侧对应的模具上模倾角与坯料内侧倾角相差不大，坯料的切削效应明显改善，整个成形过程较为流畅。对击锤锻造TC4钛合金锻件的坯料模型和不同坯料内侧倾角下的模拟图：
(a)坯料模型；(b)内侧倾角为0°；(c)内侧倾角为15°;(d)内侧倾角为10°
下图为对击锤锻造的应变场和温度场云图。从图b可知，对击锤锻造温差变化较大，温度最高点位于锻件心部，仅低于相变点14℃；锻件心部终锻温度均低于相变点30℃左右，其余点均低于相变点60℃左右。从图a可以看出，锻件心部等效应变最大，达到1.5以上。对比对击锤锻造和液压机锻造的模拟成形过程，TC4钛合金鼓筒锻件均能很好地充填型腔。采用对击锤锻造，需经过30~40锤锻造，打击能量充足，变形速率大，多锤次变形累加的应变量相对较大，成形后锻件的应变分布主要在0.6~1.5范围内。相对而言，液压机锻造的等效应变和温度分布适中，应变分布主要在0.5~1.25范围内，锻件两火次成形，工序简单，生产效率高，不易产生锻造缺陷。对击锤锻造TC4钛合金锻件的数值模拟图：(a)应变场云图；(b)温度场云图等轴初生α相含量预测和组织验证
在α＋β两相区塑性变形后的钛合金，其显微组织中等轴初生α相和β相的比例决定着合金的机械性能。从模拟结果看，2种方案终锻温度均在相变点以下，然而相变点与终锻温度之差在锻件内分布有很大差别。液压机锻造方案中锻件心部容易获得双态组织，边缘容易获得等轴组织；而对击锤锻造方案温差变化较大，温度最高点位置等效应变达到1.5，变形量比较充分，有得到网篮组织的风险。在整个变形过程中，锻件外缘温度逐渐降低，而锻件内部温度先升高后下降，选取锻造过程中的最高温度区间进行初生α相含量预测，依据等轴初生α相含量与温度的关系，模拟出锻件内等轴初生α相含量的分布云图，如下图所示。由图a可知，液压机锻造得到的锻件整体组织均匀性较好，由内到外等轴初生α相含量逐渐增大，心部整体等轴初生α相含量在30%左右，锻件边缘等轴初生α相含量在45%~60%之间，在锻件自由端边缘处达到70%左右。由图b可知，对击锤得到的锻件整体组织均匀性偏低，心部下半段初生α相含量为20%左右，随着锻件由内到外温度的降低，变形量也在降低，上半段等轴初生α相含量在40%~60%之间，边缘达到80%左右。不同工艺下TC4钛合金锻件中等轴初生α相含量云图：(a)液压机锻造；(b)对击锤锻造结 论
（1）采用对击锤锻造，当TC4钛合金坯料内侧对应的模具上模倾角与坯料内侧倾角相差较大时，坯料外扩后易产生类似切削的锻造缺陷。修改坯料内侧倾角后缺陷可以得到改善。（2）对击锤锻造和液压机锻造2种锻造方式得到的锻件由内到外等轴初生α相含量逐渐增大，并对液压机锻造制备的锻件进行了组织验证，基本符合模拟结果。（3）对击锤锻造成形后TC4钛合金锻件的应变分布主要在0.6~1.5范围内，而液压机锻造成形后应变分布主要在0.5~1.25范围内，温度、应变分布和组织均较为均匀，产生锻造缺陷的可能性较小。对比发现液压机锻造为TC4钛合金鼓筒锻件成形的较优方式。
