航空用TC4/TA15鈦合金板超塑性成形數控漸進成形等先進成形工藝及工業應用

引言

鈦合金因具有高的比強度、優異的抗腐蝕性和熱穩定性，被廣泛應用于飛行器關鍵結構件的制造。TA15鈦合金板料在室溫下的成形特性十分有限，同時，室溫下鈦合金板的力學性能和材料流線都具有明顯的各向異性，其室溫成形容易產生多種成形缺陷，諸如制耳、破裂和回彈等。為了避免上述缺陷。復雜的鈦合金薄壁構件通常在高溫下成形。在不同的高溫條件下，鈦合金表現出超塑、擴散和蠕變等多種特性，利用這些特性，可以有效地提升鈦合金板成形性能。通過引入新的升溫、控溫方案，傳統的板料成形技術也被應用到鈦合金板的成形中，如熱旋壓成形、數控漸進成形。本文介紹鈦合金板超塑性成形、超塑/擴散連接、熱旋壓、數控漸進成形和蠕變成形等先進成形制造技術，重點闡述其基本原理、工業應用和最新進展。

1、超塑性成形

1.1 超塑性成形基本原理

鈦合金超塑性的主要機制為細晶超塑性，即當鈦合金晶粒尺寸為2～10μm時，在適當的溫度（TSP≥0.5Tm，TSP為超塑性溫度，TTm為材料熔化溫度）和應變速率（一般為10-4～10-2s-1）下會呈現出超塑性。研究表明：高的應變速率會顯著減小延伸率，而過低的應變速率則會因晶粒過分長大導致延伸率下降。因此，適當的應變速率下才能獲得最大的延伸率[2]。鈦合金的超塑性成形通常是密封條件下，在鈦合金板料一側或兩側施加氣體成形壓力，依靠板料的減薄獲得與模具型腔相近的結構件外形，具有良好的尺寸精度和表面質量[3]，不易出現傳統板料成形過程中回彈和破裂等缺陷[4]。但超塑性成形是耗時長、耗能高，高的變形溫度會在一定程度上促進氧化過程，導致微觀組織性能的惡化[3]。研究發現：從超塑/擴散連接成形的蜂窩狀Ti2AlNb鈦合金構件上獲得的單向拉伸試樣，在各種溫度條件下（室溫和工作溫度），相比原始板料表現出降低的延伸率和拉伸強度[5]。Jiang等[6]研究了TA15鈦合金高溫超塑性成形前后的微觀組織轉變，結果發現：超塑性成形后材料平均晶粒尺寸為10μm，相較于原始材料晶粒尺寸（5μm）存在明顯的粗化，這在一定程度上從微觀角度解釋了力學性能下降的原因。

1.2 改進的超塑性成形

低溫（相對）超塑性成形可以在一定程度上避免或緩解高溫所導致的表面氧化和微觀組織惡化。當Ti-6Al-4V合金板料在800條件下，通過氣脹超塑性成形多臺階盒形件時，再結 晶為主要的微觀演化機制，使晶粒細化并提高了組織的均一性，金屬的氧化狀況也隨溫度的降低而改善[3]。 Liu等[7]在TA15鈦合金板成形過程中給板料通電，利用板料自身電阻熱達到超塑性成形溫度，獲得了更好的成形極限，并顯著改善了成形效率，大幅度降低了能量損耗。 Comley[2]在鈦合金超塑性成形過程中，采用變應變速率條件，即初始變形速率取高值，隨后逐步減小，既保證了成形極限，又縮短了成形時間。

2、擴散連接成形

2.1　擴散連接基本原理

擴散連接（diffusion bonding，簡稱DB）是一種通過光潔表面間的原子擴散而使兩者結合的固態連接技術，可以連接同種或異種材料。高溫條件和板料間的密切接觸是實現擴散連接過程中材料原子越過晶粒邊界的相互滲透擴散的基本前提[8]，通常當溫度TDB≥0.5Tm（TDB為擴散連接溫度，Tm為材料熔化溫度），并施加壓機壓力或氣脹壓力（一般采用氬氣等惰性氣體）時，可實現材料間的擴散連接。

為了促進材料的焊合過程，待焊合的表面需要進行光潔處理，以獲得足夠的平面度和表面粗糙度，可選擇酸蝕和超聲波清洗等方法清理表面[5]。光潔處理的主要目的是減小待焊合表面間的空隙，空隙越小，越有利于材料原子的擴散焊合[8]。與熔焊相比，固態擴散焊合過程不會引入異質焊劑，因而焊合區不容易引入殘余應力，微觀組織也易于保持或接近原始材料。

Cepeda-Jimenez等[9]研究了Ti-6Al-4V鈦合金的板料多層擴散連接結構，結果發現：750溫度下會形成更多密排六方α相，削弱了表面孔隙的愈合，使得界面連接處剪切強度降低；但厚向剪切強度是原始材料的7倍，表明該多層擴散焊結構適用于單向（厚向）受載場合。Li等[10]研究了熱循環對2295雙相不銹鋼擴散連接的影響，結果發現：熱循環的引入有助于增強原子核晶界的運動和細化焊合區的微觀組織，從而使所獲得的接頭相較于傳統擴散焊具有更高的剪切強度。

當同一構件的不同部位要求具有不同的特性時，常常將異種材料結合到一起，以充分發揮各自的潛能。Kundu等[11]研究了擴散連接溫度和時間對Ti-6Al-4V與雙相不銹鋼間焊合接頭力學性能的影響，結果發現：當擴散連接溫度和時間分別為850和90min時，影響材料性能的金屬間化合物的析出減少，從而獲得最佳的接頭性能。

2.2 超塑/擴散連接成形

在鈦合金板成形和裝配過程中，常將超塑性成形與擴散連接技術結合起來，即鈦合金板料按預先設計的次序，或同時經歷局部擴散連接與超塑性成形，板料之間的局部焊合能夠局 部約束后續的超塑性成形過程，從而控制變形過程，以獲得預想的內部層間結構。為實現有效的局部擴散連接，板料間或同一板料不同部位需要密切接觸，通過上、下模具壓住待焊合的多層板料，形成封閉的模腔空間，并向腔內通入惰性氣體，可以實現接觸條件，隨后將氣體通入板料之間的間隙，提供均勻的超塑性成形，直至該夾層結構外層板料與模具型腔貼合，形成結構的外輪廓。該技術可用于成形和裝配飛機機翼前緣，一種應用超塑/擴散連接裝配的Ti-6Al-4V合金D型機翼前緣如圖1[12]所示。

超塑/擴散連接技術廣泛應用于制造蜂窩狀/胞狀結構，在滿足同等強度的前提下，具有更低的相對密度，從而顯著節省材料，降低成本[5]。在成形過程中，首先要求相鄰板料間有選擇性地局部擴散焊合，隨后在模腔中通過超塑性成形獲得外部輪廓和內部加強結構。若要實現有選擇性地局部擴散焊合，兩板料間不需要焊合的部位應采用隔離劑隔離[8]。an等[13]利用SPF/DB實現了一種基于Ti-6Al-4V合金的X型多層桁架結構，如圖2（a）[13]所示。在成形過程中，預先沖孔后柵格狀芯板選擇性地涂覆隔離劑，在上、下面板上施加氣體壓力，使芯板上、下表面分別與上、下面板局部擴散焊合，隨后通過將氣體通入多層板料間隙，使板料產生超塑性成形。分析發現：所獲得焊合部位具有足夠的微觀組織均一性和結構可靠性[13]。

蜂窩狀構件和空心葉片是兩種典型的依靠SPF/DB成形的鈦合金構件，如圖2（b）[5]所示。

超塑/擴散連接方法也可以與其他成形方法或連接方法相結合。Jiang等[6]將SPF/DB方法與激光焊技術（LBW）相結合，用于成形具有方形柵格結構的四層TA15鈦合金夾心結構，從而顯著縮短了生產時間。板料在氣脹條件下超塑性成形時，芯板與面板相接觸或芯板自接觸時，引起擴散焊合，前者焊合形成構件外形，后者焊合則形成方形柵格的筋部。

3、熱旋壓成形

3.1 基本原理

旋壓成形指通過一個或多個旋輪作用于初始平板的旋轉進給運動，逐步使板料與旋轉芯模貼合，最終獲得壁厚相對減薄的空心回轉體零件的成形過程。由于旋壓過程旋輪局部加 載，與傳統的板料沖壓成形過相比，載荷顯著降低。旋壓是一種柔性板料成形方法，適合于生產復雜回轉體零件的終成形件或近終成形件[14]，如錐形件、筒形件[15-16]等。對于室溫下難以成形的輕合金，如鈦合金、鎂合金等，旋壓需要在一定溫度下進行，稱之為熱旋壓。由于同一溫度下不同材料或同一材料在不同溫度下力學性能存在顯著差異，故在熱旋壓中溫度的控制尤為重要。Zhan等[17]綜述了輕合金熱旋過程的中8種板料的加熱方式，如火焰加熱、電阻爐加熱、電磁感應加熱、激光加熱等。

3.2 工藝參數對熱旋成形的影響

熱旋成形的質量受多個工藝參數的影響，如成形溫度、模具預熱溫度、旋輪尺寸和芯模轉速等。Zhan等[14]研究了偏離率和變形溫度對熱旋成形件幾何精度和微觀組織的影響，研究表明：近零偏離率和合理旋壓溫度區間有利于提高成形件幾何精度和微觀組織均勻性。Yang等[18]研究了TA15鈦合金熱旋成形過程溫度、應力、應變、壁厚、貼模性的變化，系統地總結了各工藝參數對旋壓件成形質量的影響規律。鈦合金板料熱旋壓過程中，存在強烈的加工硬化，并伴隨有再結晶軟化機制。Chen等[19]研究了 TA15管坯在熱旋壓過程中微觀組織演化，隨著壁厚的減薄，晶粒細化并拉長，形成沿軸向取向的纖維狀微觀組織。

3.3 熱旋壓過程熱力耦合數值分析

熱旋成形在較高溫度下進行，因而存在復雜的熱力學問題，包括熱擴散、坯料與工模具間的熱量傳導、摩擦熱等，這些過程又與工藝加載條件相互影響。因此，準確地實現熱旋過程的熱力耦合數值分析，實現成形過程的場量與變形規律預測顯得尤為重要。Mori等[20]假定熱旋過程為等溫過程，簡化了成形溫度場的模擬。

LI等[21]建立了TA15鈦合金板熱旋成形過程的三維熱力耦合有限元模型，通過設置合理的溫度邊界條件，實現外部熱源的模擬。Dong等[22]則基于該熱力耦合模型，研究了熱旋成形過程的變形機制，分析了多種成形因素對溫度場分布的影響。研究表明：較高的坯料溫度和工模具預熱溫度有利于減小厚向溫度分布梯度，偏離率對厚向溫度分布影響復雜，大的偏離率不利于板料貼模。

4、板料漸進成形

板料漸進成形（incrementa sheet forming，ISF）是一種無模柔性板料成形方法，是指板料在周邊受約束的條件下，利用端部為球形的圓柱形工具頭，借助于數控銑床或工業機器人等數控系統，沿預先設定的螺旋線軌跡，依次逐漸使板料發生塑性變形，從而成形出所需要的薄壁構件。ISF技術成形載荷小，適應性強，節約成本和能耗，適用于小批量或定制式零件的快速制造。若漸進成形過程中僅依靠工具頭施加載荷成形，稱為單點漸進成形；若漸進成形過程中板料背工具頭側有模具支撐，或板料兩側均有工具頭作用，則稱之為雙點漸進成形。高溫板料漸進成形（hot incrementa sheet forming，HISF）拓寬了漸進成形技術在諸如鈦合金等室溫難變形材料方面的應用，板料局部或整體達到成形溫度，從而降低成形載荷，減小回彈，改善成形特性。根據熱源的形式，目前高溫板料漸進成形可分為自阻電加熱板料漸進成形（Electric heating incremental plate formation, EHIF）[23-24]、激光輔助漸進成形（Laser Assisted Incremental Molding）[25]和電阻加熱板料漸進成形[26]等。

自阻電加熱板料漸進成形簡單易行，但不易實現溫度的精確控制。成形過程中電源的一極連接板料，另一極連接工具頭，電流持續通過工具頭，產生的電阻熱累積引起工具頭溫度升高，加劇了工具頭的氧化和表面磨損，并導致工件表面刮痕。Liu等[23]通過采用GH4169鎳合金工具頭，并結合動態局部電加熱、滾動球頭、內置水冷系統技術，提高TC4鈑金件的表面質量（見圖3），降低了工具端面的磨損。Naｊafaba-dy等[24]研究了鈦合金自電阻加熱板料漸進成形中各過程參數對成形件尺寸精度、表面質量和加工硬化程度的影響。結果表明：成形件尖端存在較大的尺寸偏差，而工具頭側板料表面相較于背工具頭側具有更好的硬度。

高溫漸進成形質量受工藝方案和工藝參數（如工具頭直徑、進給量、側壁傾角等）的影響，在工藝方案的選擇中，采用多道次和合適的工具頭軌跡能夠獲得更加均勻的應變分布[ 27-29]，Ji等[28]在高溫漸進成形球形件時，采用錐形件作為預成形，二道次再成形為球形件；Yamashita[29]采用螺旋形的工具頭軌跡，獲得更加均勻的應變分布。為了降低工具頭和板料之間的摩擦，改善成形件的表面質量，可以在板料上覆蓋潤滑劑，Najafabady等[24]使用Mos2粉末作為潤滑劑，Zhang等[30]使用多孔陶瓷材料覆蓋在板料表面以保持潤滑。Khazaali等[26]研究了成形溫度、進給量、工具頭直徑等對成形極限、回彈、拉伸深度、終成形溫度等的影響，發現大的進給量和大的工具頭半徑有利于提高成形性及 成形深度，高的成形溫度能夠有效抑制回彈。

5、蠕變成形

蠕變成形[31]是指一定溫度下，金屬板料在工模具的作用下變形獲得理想形狀后，保持溫度和載荷不變，使工件內部發生應力松弛，彈性應變向永久塑性應變轉變，直至殘余應力和回彈基本消除，最終冷卻后獲得理想的工件形狀。

蠕變成形過程中蠕變驅動力為外加應力，隨著蠕變進行，彈性應變減少使得內應力減少，外加應力也相應減少[32]。Xiao等[33]總結了鈦合金薄壁零件數控熱拉伸蠕變復合成形研究進展。該技術主要利用自阻加熱方法實現蠕變溫度，能夠適應不同規格、小批量零件的敏捷制造。Deng等[34]研究了L型梁拉彎條件下蠕變成形過程，發現應力松弛可以劃分為兩個階段：第一階段應力下降迅速；第二階段應力松弛遲緩。

蠕變與應力松弛在機理上是統一的。Liu等[35]研究了熱校形中蠕變與應力松弛的關系。研究表明：鈦合金在低溫低應力下蠕變以原子擴散為主，高溫高應力下以位錯滑移和攀移為主，而應力松弛在不同溫度時均以位錯攀移為主要變形機制。

6、結論

本文系統分析了鈦合金板超塑性成形、超塑/擴散連接、熱旋壓成形、漸進成形和蠕變成形等先進成形技術的研究現狀和新近進展。由于鈦合金結構件多應用于航空航天等重要領

域，要求其具有優異的力學性能，故而鈦合金板成形制造技術要求高質量、低成本、柔性化，并充分發揮和利用鈦合金的高溫成形特性。結合鈦合金零件的結構形式，合理地選擇相應的成形技術，或將不同的成形方式相結合，發揮各自的優勢。不同于低溫成形材料，鈦合金在高溫下才能充分發揮其成形性能，未來開發或改進鈦合金板料成形技術過程中，需要探索高效節能的板料及工模具升溫控溫解決方案，同時避免高溫條件所引起的組織惡化和表面氧化，從而獲得尺寸精度高、力學性能優異的鈦合金結構件，實現輕量化的要求。

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