超塑成型/擴(kuò)散連接鈦合金氣動(dòng)面表面溝槽對(duì)其強(qiáng)剛度的影響分析

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009）

超塑成形（Superplastic Forming，SPF）是利用材料的超塑性來成型零件的一種工藝方法。超塑成形工藝能夠制造出常規(guī)工藝難以成形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且沒有回彈，能夠保證成形零部件的精度，加工重復(fù)性好。擴(kuò)散連接（Diffusion Bonding，DB）是利用被連接材料的表面在不足以引起塑性變形的壓力和低于被連接工件熔點(diǎn)的溫度條件下,使接觸面通過原子間相互固態(tài)擴(kuò)散而形成連接的方法[1]。

如果一種材料同時(shí)具備超塑性和擴(kuò)散連接特性，二者所需溫度和壓力條件又非常接近，則可以在一個(gè)熱循環(huán)中完成超塑成型和擴(kuò)散連接，這就是超塑/擴(kuò)散組合成型工藝技術(shù)。與傳統(tǒng)制造工藝制造的零件相比超塑/擴(kuò)散組合成型工藝技術(shù)具有結(jié)構(gòu)重量輕、成本低、整體性好、成形質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空、航天領(lǐng)域中一種先進(jìn)的制造技術(shù)，大大地提高了構(gòu)件的設(shè)計(jì)自由度及結(jié)構(gòu)效率[2]。

鈦合金是最早得到應(yīng)用的超塑性材料,主要合金有 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、IMI550、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al等材料,近年來高溫鈦合金(IMI834)、鈦基金屬間化合物(TiAl)以及高溫合金(GH4169)的超塑性研究和應(yīng)用得到了航空航天有關(guān)部門的高度重視[3-4]。

在某產(chǎn)品的研制過程中，基于產(chǎn)品具有大過載、高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品的氣動(dòng)面結(jié)構(gòu)提出了很高的要求，設(shè)計(jì)人員希望設(shè)計(jì)一種重量輕、強(qiáng)剛度高，在高溫條件下力學(xué)性能較好的新型結(jié)構(gòu)氣動(dòng)面。傳統(tǒng)鋁制材料整體成型和夾芯鉚接結(jié)構(gòu)與鈦材蒙皮骨架結(jié)構(gòu)難以滿足要求，而超塑/擴(kuò)散鈦合金結(jié)構(gòu)零件進(jìn)入了設(shè)計(jì)人員的視野。事實(shí)證明，超塑/擴(kuò)散鈦合金零件能夠比較好地滿足設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)需求，利用該技術(shù)制造的零件順利通過了各類試驗(yàn)的考核，各項(xiàng)性能指標(biāo)表現(xiàn)出色。

隨著產(chǎn)品需求數(shù)量的增加，在科研試制過程中并不嚴(yán)重的產(chǎn)品表面溝槽問題后期不斷出現(xiàn)。尤其是溝槽的不可控制和不可預(yù)見得到了充分的體現(xiàn)，它會(huì)出現(xiàn)在不同區(qū)域、不同方向，并在長(zhǎng)度、深度、連續(xù)性等方面有著各自不同的表現(xiàn)。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)剛度是最重要的指標(biāo)之一，為了評(píng)估表面溝槽對(duì)小型鈦合金超塑/擴(kuò)散零件的影響，本文以某小型氣動(dòng)面及控制面為例，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值仿真及靜力強(qiáng)度試驗(yàn)，分析表面溝槽對(duì)零件的強(qiáng)剛度影響程度。

同時(shí)也希望借由這項(xiàng)工作對(duì)由超塑/擴(kuò)散工藝帶來的表面溝槽的影響做一些分析嘗試，為后續(xù)的使用及工藝改進(jìn)工作提供支撐及借鑒。

1 表面溝槽成因分析

1.1 零件工藝過程

用于SPF/DB組合工藝的擴(kuò)散連接方法主要有3種:小變形固態(tài)擴(kuò)散連接、過渡液相擴(kuò)散連接和大變形/有限擴(kuò)散連接。在擴(kuò)散連接過程中應(yīng)采用惰性保護(hù)氣體或真空,以防止氧化層的形成和生長(zhǎng)[2]。

在采用SPF/DB組合工藝進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中,可以先DB后SPF(DB/SPF),也可以先SPF后DB(SPF/DB)。DB/SPF工藝過程中,構(gòu)件的芯板結(jié)構(gòu)由板面的止焊劑圖案而定,構(gòu)件生產(chǎn)可在一次加熱循環(huán)中完成,也可分為兩道工序。一道工序的特點(diǎn)是零件在生產(chǎn)過程中無需開模；兩道工序則有以下優(yōu)點(diǎn):DB可用氣壓或機(jī)械壓力,也可選用其他連接技術(shù)[2]。

某小型氣動(dòng)面內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用4層結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)剛度和承受面集中載荷的能力。

四層鈦合金板材組合焊接成具有兩個(gè)外層氣腔和一個(gè)內(nèi)層氣腔的毛坯，預(yù)留出內(nèi)外層進(jìn)氣管口，在成形溫度下分別對(duì)內(nèi)外層氣腔進(jìn)行通氣、排氣等控制，內(nèi)層芯板先擴(kuò)散形成筋格圖形，在吹塑成為立筋，同時(shí)伴隨完成了外層的成形和內(nèi)外層之間的擴(kuò)散連接。

1.2 表面溝槽成因分析

鈦合金超塑/擴(kuò)散零件所采用的SPF/DB工藝，將直接影響零件的強(qiáng)度和性能。在SPF/DB工藝過程中，主要的工藝參數(shù)有溫度、壓力、時(shí)間、加壓速率等。各參數(shù)之間有著相互依賴的密切關(guān)系。在上述成型過程中，如果因?yàn)榉N種原因，如型腔內(nèi)部溫度分布不均勻，局部氣體壓力不足，超塑成型程度不夠充分，立筋的成型沒有到位，內(nèi)部?jī)蓪颖“宓淖冃尾煌耆鹊?，則會(huì)在立筋部位的相應(yīng)表面形成溝槽。

從上述分析中可以看出，溝槽是在產(chǎn)品的成型過程中發(fā)生的，在“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的因素中，“法”即工藝成型方法本身的原因更大一些。這也使得溝槽具有不可控制、不可預(yù)見的特性。對(duì)于成型工藝過程的控制、對(duì)于工藝參數(shù)的掌握等因素也毫無疑問對(duì)溝槽的產(chǎn)生具有重要作用。

2 溝槽影響的數(shù)值仿真分析

在對(duì)某型產(chǎn)品氣動(dòng)面及控制面表面溝槽的分析過程中，選取鈦合金氣動(dòng)面及控制面各3片，其中包括一片無溝槽狀態(tài)產(chǎn)品，一片單面溝槽嚴(yán)重的產(chǎn)品，一片雙面均有溝槽狀態(tài)的產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際狀態(tài)一一建立對(duì)應(yīng)有限元模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，之后對(duì)所有產(chǎn)品進(jìn)行靜力強(qiáng)度試驗(yàn)，以采用數(shù)值仿真佐證試驗(yàn)。

2.1 數(shù)值模型

圖1為某型控制面的實(shí)物與數(shù)值仿真模型對(duì)比圖（圖中未對(duì)實(shí)物及模型展開全貌），圖2為氣動(dòng)面的實(shí)物與數(shù)值仿真模型對(duì)比圖。

圖1 控制面實(shí)物與仿真模型對(duì)比Fig.1 Comparison of physical and simulation models for an control surface

圖2 某氣動(dòng)面實(shí)物與仿真模型對(duì)比Fig.2 Comparison of physical and simulation models for an aerodynamic surface

在氣動(dòng)面建立有限元數(shù)值模型時(shí)，考慮到與靜力強(qiáng)度試驗(yàn)的一致性，在建立模型時(shí)考慮了夾具及連接的形式，計(jì)算中采用了基于大撓度理論的大位移/大應(yīng)變策略以模擬幾何剛度的影響（表1）。

表1 有限元數(shù)值模型氣動(dòng)面與安裝座接觸關(guān)系

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

圖3～8為無溝槽控制面與單面溝槽控制面和無溝槽氣動(dòng)面與單面溝槽氣動(dòng)面數(shù)值分析結(jié)果。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

3.1 試驗(yàn)條件及方法

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真的正確性，考核表面溝槽對(duì)某控制面及氣動(dòng)面的影響，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行靜力強(qiáng)度加載試驗(yàn)，為了得到更多的對(duì)比數(shù)據(jù)，在靜力試驗(yàn)過程中對(duì)試驗(yàn)件上粘貼應(yīng)變片來獲取產(chǎn)品的應(yīng)力數(shù)據(jù)，應(yīng)變片位置根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果判斷出應(yīng)力梯度及分布較理想位置進(jìn)行確定。

試驗(yàn)的條件及輸入按照產(chǎn)品實(shí)際使用條件執(zhí)行，圖9為氣動(dòng)面試驗(yàn)件連接圖。

圖3 無溝槽控制面應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution diagram of control surface without grooves

圖4 單面溝槽控制面應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress distribution diagram of control surface with one side grooves

圖5 無溝槽氣動(dòng)面變形分布云圖Fig.5 Deformation distribution diagram of aerodynamic surface without grooves

圖6 無溝槽氣動(dòng)面應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress distribution diagram of aerodynamicsurface without grooves

圖7 單面溝槽氣動(dòng)面變形分布云圖Fig.7 Deformation distribution diagram of aerodynamic surface without one side grooves

圖8 單面溝槽氣動(dòng)面應(yīng)力分布云圖Fig.8 Sress distribution diagram of aerodynamic surface without one side grooves

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2、表3列出了應(yīng)變片位置測(cè)得產(chǎn)品的應(yīng)力數(shù)值，表4列出了氣動(dòng)面的最大變形量數(shù)值。

3.3 試驗(yàn)與數(shù)值仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

表5～7給出了產(chǎn)品最大應(yīng)力、變形量試驗(yàn)值與數(shù)值仿真結(jié)果的對(duì)比。

經(jīng)過數(shù)值對(duì)比分析，認(rèn)為由仿真得到的數(shù)值是可信的，對(duì)于數(shù)值存在一定的差異，原因主要有以下2點(diǎn)：

圖9 試驗(yàn)件連接圖Fig.9 Connection diagram of experiment

表2 控制面應(yīng)力值

表3 氣動(dòng)面應(yīng)力值

表4 氣動(dòng)面變形量

表5 控制面應(yīng)力數(shù)值對(duì)比

表6 氣動(dòng)面應(yīng)力數(shù)值對(duì)比

（1）應(yīng)力試驗(yàn)值由應(yīng)變片測(cè)得。由于應(yīng)變片測(cè)試最終給出的結(jié)果是應(yīng)變片覆蓋區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力均值，而計(jì)算值為某一點(diǎn)的精確值。從這個(gè)角度而言，粘貼應(yīng)變片區(qū)域?yàn)橥粦?yīng)力梯度區(qū)域效果最佳。但是應(yīng)變片本身有一定大小，這就造成了一個(gè)應(yīng)變片測(cè)試范圍里可能包含了多個(gè)應(yīng)力梯度區(qū)域（圖10），得到的測(cè)量值 應(yīng)該小于實(shí)際情況的最大值，因此有可能存在數(shù)值上的一定差距；

表7 氣動(dòng)面最大變形數(shù)值對(duì)比

（2）數(shù)值仿真并不能完全模擬真實(shí)的試驗(yàn)及使用情況，實(shí)際情況中存在接觸、間隙等問題數(shù)值仿真難以精確模擬。

圖10 應(yīng)變片位置應(yīng)力梯度Fig.10 Stress gradient distribution

4 結(jié)論

通過有限元數(shù)值計(jì)算及靜力強(qiáng)度試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

小型鈦合金超塑成型/擴(kuò)散連接氣動(dòng)面表面溝槽對(duì)其強(qiáng)剛度有影響，相比沒有表面溝槽的產(chǎn)品，最大應(yīng)力值增大1%～6%左右，變形量增加約5%～14%左右，可以認(rèn)為鈦合金超塑成型/擴(kuò)散連接氣動(dòng)面強(qiáng)度對(duì)溝槽并不敏感，表面溝槽對(duì)產(chǎn)品剛度有一定影響。

[1]姚利兵，劉獻(xiàn)偉，張鵬，等. 高強(qiáng)度鈦合金導(dǎo)彈舵翼面設(shè)計(jì)制造技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)，2013(12):102-103.YAO Libing，LIU Xianwei，ZHANG Peng, et al. Design and manufacture technology of high-strength titanium alloy rudder and wing on missile[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(12):102-103.

[2]李志強(qiáng)，郭和平. 超塑成型/擴(kuò)散連接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用[C]// 2004航空航天焊接國(guó)際論壇論文集.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2004.LI Zhiqiang, GUO Heping. The superplastic forming/diffusion bonding technology application in the aerospace industry [C]/ / Proceedings of 2004 international BBS of aeronautics and astronautics welding. The Chinese Mechanical Engineering Society, 2004.

[3]門向南，童國(guó)權(quán)，徐雪峰，等. TC4鈦合金雙層板結(jié)構(gòu)超塑成型/擴(kuò)散連接工藝[J]. 機(jī)械工程材料, 2010(5):86-89.MEN Xiangnan, TONG Guoquan, XU Xuefeng, et al. Processing of superplastic forming and diffusion bonding for two-sheet structure of Ti-6Al-4V titanium alloy[J]. Materials for Mechanical Engneering,2010(5):86-89.

[4]趙林博，徐姍姍. 鈦合金超塑成形工藝及應(yīng)用[J].創(chuàng)新科技導(dǎo)報(bào), 2011(19): 59.ZHAO Linbo, XU Shanshan. Technology and application of superpalstic forming of titanium alloy[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2011(19): 59.