筒體鍛件內(nèi)孔擠壓成形過程中的金屬流線可視化與性能調(diào)控是提升構(gòu)件力學(xué)性能和服役壽命的關(guān)鍵技術(shù)。以下從技術(shù)要點(diǎn)、分析方法和調(diào)控策略三個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述：

一、金屬流線可視化技術(shù)

實(shí)驗(yàn)方法

標(biāo)記材料法：在坯料中嵌入不同顏色的示蹤材料（如銅片、鋁箔），通過剖切觀察變形后的流線分布。

網(wǎng)格分析法：在坯料表面或截面刻蝕規(guī)則網(wǎng)格，通過變形后網(wǎng)格的畸變反推金屬流動(dòng)規(guī)律（如圖1所示）。

X射線斷層掃描（CT）：非破壞性三維成像技術(shù)，適用于復(fù)雜變形過程的動(dòng)態(tài)觀測。

數(shù)值模擬

有限元仿真：采用DEFORM、ABAQUS等軟件，基于Lagrangian算法模擬金屬流動(dòng)，通過速度場、等效應(yīng)變場預(yù)測流線分布。

粒子追蹤法：在模擬中植入虛擬標(biāo)記粒子，可視化流動(dòng)路徑（如圖2所示）。

二、金屬流線對性能的影響機(jī)制

力學(xué)性能各向異性

流線連續(xù)性：連續(xù)的流線（如沿周向分布）可提高抗疲勞性能，斷續(xù)流線易成為裂紋擴(kuò)展路徑。

纖維組織取向：平行于主應(yīng)力方向的流線可提升強(qiáng)度，橫向流線可能導(dǎo)致層狀撕裂。

典型缺陷關(guān)聯(lián)性

渦流/折疊缺陷：金屬流動(dòng)紊亂導(dǎo)致的流線交匯（如圖3所示），降低沖擊韌性。

死區(qū)金屬：低應(yīng)變區(qū)流線粗大，易產(chǎn)生成分偏析。

三、性能調(diào)控策略

工藝參數(shù)優(yōu)化

擠壓速度：低速（0.1-1 mm/s）有利于均勻流動(dòng)，高速易導(dǎo)致剪切帶。

溫度場控制：梯度加熱（芯部溫度高于表面50-100℃）可改善內(nèi)外流動(dòng)同步性。

模具設(shè)計(jì)改進(jìn)

分流角優(yōu)化：錐形模角度（通常90°-120°）影響金屬軸向/徑向流動(dòng)比例。

潤滑設(shè)計(jì)：納米石墨涂層可降低摩擦系數(shù)30%以上，減少表面流線畸變。

材料預(yù)處理

等溫鍛造：在β相變點(diǎn)附近變形可消除原始鑄態(tài)組織，獲得均勻流線。

多向鍛壓：通過應(yīng)變路徑改變（如XYZ三向交替變形）破碎粗大晶粒。

四、典型案例分析

某TC4鈦合金筒體鍛件（Φ600×200 mm）內(nèi)孔擠壓時(shí)出現(xiàn)周向流線不連續(xù)問題，通過以下措施改進(jìn)：

將單道次擠壓改為兩道次（先30%變形量預(yù)鍛，再終鍛）；

模具入口R角從5mm增大至15mm；

采用玻璃潤滑劑替代二硫化鉬。

改進(jìn)后流線連續(xù)性提升，超聲檢測顯示缺陷率下降70%，疲勞壽命提高2.3倍。

五、前沿發(fā)展方向

多尺度模擬：耦合宏觀流動(dòng)與晶粒演化（如CPFEM模型）。

智能調(diào)控：基于實(shí)時(shí)力-位移數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生反饋控制。

增材復(fù)合工藝：在流線臨界區(qū)局部植入高韌性材料。

通過綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表征、數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)筒體鍛件"流線設(shè)計(jì)-性能定制"的精準(zhǔn)調(diào)控，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天貯箱等高端裝備的嚴(yán)苛要求。需注意不同材料（鋁合金/鈦合金/高溫合金）的流變特性差異，需針對性制定方案。