TA1鈦合金板材高溫顆粒介質成形試驗研究

北京航空航天大學機械工程及自動化學院 郎利輝 劉康寧

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 吳 為 劉寶勝

目前，隨著輕量化構件在航空、航天、汽車、能源等領域的廣泛應用，對輕質合金薄壁類零件的先進成形工藝提出了越來越高的要求?，F(xiàn)有加工方法存在諸多局限性，無法滿足日益苛刻的加工需求，為解決這一難題，各國研究機構提出了多種工藝以提高輕量化零件的成形質量。

鈦合金板材在室溫條件下屈強比大，彈性模量小，延伸率及成形極限較低，成形后零件易起皺、破裂，加工難度大，通常要在550℃～750℃條件下成形[1]。傳統(tǒng)鈦合金板材成形方法主要有超塑成形及熱沖壓工藝等[2]，但不可避免地帶來了諸多問題，如模具設計復雜、起皺減薄嚴重[3]、壁厚均勻性差、成形效率低等。

板材顆粒介質成形工藝是由燕山大學趙長財?shù)萚4-5]提出的一種柔性成形方法，其利用耐高溫非金屬顆粒介質代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上剛性的凸模（或凹模）成形板材、管材類零件，可加工鋁合金、不銹鋼及鈦合金[1]等材料。國外紐倫堡大學等研究機構[6-7]對顆粒介質成形工藝進行了試驗研究，對高強鋼等材料進行了高溫條件下顆粒介質成形試驗。計算仿真分析結果已證明[8]，顆粒介質成形工藝可有效降低鈦合金錐形類零件的起皺趨勢，提高成形性。

本文在顆粒介質三軸圍壓試驗及TA1鈦合金高溫單向拉伸試驗基礎上，對鈦合金筒形件進行了500℃條件下的顆粒介質拉深試驗及成形后零件壁厚、輪廓尺寸計算模擬分析，驗證了高溫顆粒介質成形工藝對鈦合金板材的適用性及高溫顆粒介質成形規(guī)律計算分析準確性。結果表明，高溫顆粒介質成形工藝可以有效提高鈦合金零件的成形質量。

1 材料性能試驗

1.1 顆粒介質三軸圍壓試驗

三軸壓縮試驗可以測定顆粒材料抗剪強度，側重于測量巖土、顆粒材料在三軸壓應力條件下動態(tài)受壓變形特征，相比于直剪試驗，三軸圍壓試驗中被測試材料的受力狀態(tài)更貼近于主動式熱介質成形中顆粒介質。因此，為了測定顆粒材料Mohr-Coulomb摩擦模型參數(shù)，選擇三軸圍壓試驗測定顆粒材料流動特性及壓力傳遞規(guī)律。三軸圍壓試驗結果繪制的強度包線如圖1所示。

從圖中可得，本文所選的非金屬顆粒材料Mohr-Coulomb摩擦模型粘聚力c=1.6255kPa，內摩擦角φ=14.9352°，具有良好的流動性，可對成形拉深力進行有效傳遞。

1.2 TA1鈦合金高溫單向拉伸試驗

圖1 三軸圍壓試驗結果Fig.1 Result of triaxial compression tests

圖2 TA1板材不同條件下真實應力-真實應變曲線Fig.2 True stress-strain curves of TA1 sheet under different conditions

為了獲取TA1材料高溫條件下拉伸性能，利用ZWICK單向拉伸試驗機，對1mm厚TA1板材進行了500℃，不同應變速率條件下的真實應力-真實應變試驗曲線，如圖2所示。可以看到，在500℃條件下，應變速率越低，其最大延伸率越高；而不同應變速率對其材料的硬化曲線影響不顯著。

2 TA1鈦合金筒形件高溫顆粒介質試驗

高溫顆粒介質成形試驗在北京航空航天大學自主研發(fā)的YRJ-50板材實驗機上進行。壓邊圈盛料腔內徑80mm，凹模內徑85mm，TA1合金板材厚度1mm，壓邊間隙選用1.2mm，高溫顆粒介質成形試驗模具示意圖如圖3所示。在500℃條件下，對坯料直徑為180mm，160mm的TA1板材進行了不用拉深深度的顆粒介質成形試驗。

圖3 高溫顆粒介質成形試驗模具示意圖Fig.3 Diagram of experimental equipment for hot granular medim forming

在高溫條件下，選用膠體石墨水劑作為潤滑劑，涂抹在坯料表面，等晾干后備用。石墨水劑不僅起到潤滑的作用，在高溫條件下還能有效防止鈦合金板材表面氧化現(xiàn)象。顆粒介質裝料高度選為70mm，成形過程采用恒拉深速率控制，拉深速率選擇為5mm/min。

成形后零件如圖4所示，在軟凸模作用下，坯料底部自由變形區(qū)呈大圓角特征。文獻[8]分析指出，在厚度方向壓應力作用下，自由變形區(qū)坯料處雙向拉應力狀態(tài)，可有效防止不均勻變形導致的失穩(wěn)，抑制起皺趨勢。可以看到，高溫顆粒介質成形出的零件具有較好的表面質量。

圖4 500℃不同拉深深度鈦合金零件Fig.4 TA1 parts by hot granular medium forming process at 500℃

3 高溫介質成形數(shù)值仿真及對比

為了驗證顆粒介質流動過程仿真計算準確性，利用ABAQUS軟件對顆粒介質筒形件成形進行了仿真分析，成形過程采用軸對稱模型，TA1板材厚度1mm，試驗溫度選擇為500℃。利用高溫單向拉伸試驗獲取的鈦合金材料參數(shù)及三軸圍壓試驗中獲取顆粒介質傳壓參數(shù)，建立了如圖5所示的仿真計算模型。計算分析結果如圖6所示，可以看到，在熱顆粒介質成形過程中，最小壁厚出現(xiàn)在通底部中央?yún)^(qū)域，壁厚值從該區(qū)域到零件邊緣均勻增大，具有較好的壁厚均勻性。

對成形高度H=58.3mm及H=81.5mm的零件進行了外形尺寸三維坐標測量及剖開后零件壁厚分布測量，并與模擬結果進行了對比。相應成形條件下對比結果如圖7所示。由圖可知，模擬曲線與試驗數(shù)據(jù)點吻合較好，反映出從三軸圍壓試驗及高溫單向拉深試驗中獲取的材料參數(shù)可以較為精確地表征高溫條件下顆粒介質及TA1鈦合金板材的流動變形規(guī)律。

圖5 高溫顆粒介質成形計算模型Fig.5 Numerical model of hot granular medium forming process

4 結論

（1）高溫顆粒介質成形技術利用固體顆粒代替剛性模具可以實現(xiàn)鈦合金零件的高溫加工成形，成形溫度可達500℃以上；

（2）仿真計算及試驗結果表明，高溫顆粒介質成形工藝成形出的鈦合金筒形零件具有較好的壁厚均勻性；

（3）在厚度方向壓應力作用下，鈦合金零件成形過程起皺趨勢被有效抑制，成形質量得到提高。

圖6 仿真計算結果Fig.6 Results of numerical simulation

圖7 外形尺寸壁厚對比圖Fig.7 Comparison of shape dimension and thickness distribution between numerical simulation and experimental results

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