TA15四層板結(jié)構(gòu)超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)研究

閆亮亮，童國(guó)權(quán)，劉劍超，劉海建，劉太盈，熊亮同

(1. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.北京星航機(jī)械裝備有限公司，北京 100074)

超塑成形/擴(kuò)散連接（Superplastic Forming/Diffusion Bonding, SPF/DB）技術(shù)是一種推動(dòng)現(xiàn)代航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念發(fā)展和突破傳統(tǒng)鈑金成形方法的先進(jìn)制造技術(shù)，采用SPF/DB技術(shù)制造的鈦合金結(jié)構(gòu)件已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，并取得良好的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。但在SPF/DB的研究和應(yīng)用方面，主要側(cè)重于α+β兩相鈦合金TC4[1-3]，而對(duì)于可以在500℃下長(zhǎng)期工作、能夠滿足3Ma以上高速飛行器需求的近α型鈦合金TA15的研究報(bào)道較少。在超塑單向拉伸基礎(chǔ)上，針對(duì)TA15四層SPF/DB試驗(yàn)件，本文進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了超塑加載壓力p-時(shí)間t曲線，并開(kāi)展了四層SPF/DB工藝試驗(yàn)，成功制備了四層TA15空心試驗(yàn)件。

1 材料及試驗(yàn)?zāi)＞?/h2>

TAl5（BT20）合金是前蘇聯(lián)研制的一種高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，其名義成分為Ti-6A1-2Zr-1Mo-1V。本試驗(yàn)所用TA15板材厚度為1.0mm和1.2mm，由寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)。試驗(yàn)?zāi)＞咝颓怀叽鐬?38mm×188mm×40mm，型腔側(cè)壁單面斜度為18°，上下型腔對(duì)稱。試驗(yàn)?zāi)＞卟牧蠟镹i7N。

2 有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

為了提高有限元計(jì)算效率和方便觀察芯板成形過(guò)程，取四層板的1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬，選用Marc軟件提供的Thick Shell 140單元類型，在用AUTOMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用四邊形單元，共劃分為18450個(gè)單元。

2.2 材料參數(shù)及超塑本構(gòu)方程的確立

在超塑成形溫度下，超塑材料的本構(gòu)方程可表示為σ=K˙εm，式中，K為材料常數(shù)、m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)[4]。在超塑變形中，如果應(yīng)變速率變化不大，K和m都可近似地看作常數(shù)。

為了確定材料常數(shù)，在溫度880、900、920和930℃下，進(jìn)行了TA15恒應(yīng)變速率超塑單向拉伸試驗(yàn)，每一個(gè)溫度下，在 3.28×10-5～1.68×10-2s-1之間用10根試樣進(jìn)行超塑拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明：TA15合金最佳超塑變形條件為920℃和5.25×10-4s-1，此時(shí)最大延伸率δ為1100%，m≈0.57；在930℃和5.25×10-4s-1下，δ為1030%。鑒于TA15四層板SPF/DB試驗(yàn)件具有較大面積需要擴(kuò)散連接，本文選取溫度930℃和應(yīng)變速率5.25×10-4s-1為四層板結(jié)構(gòu)SPF/DB的工藝條件，在此條件下，TA15合金的超塑本構(gòu)方程為σ=9490.55，原始試件與該條件下拉伸斷裂后的試件照片如圖1所示。

依據(jù)TA15超塑拉伸試驗(yàn)，選取了材料的超塑成形工藝參數(shù)m=0.55和K=949，應(yīng)變速率=5.25×10-4s-1。由于超塑性變形過(guò)程屬于大變形問(wèn)題，回彈極小，基本忽略彈性變形，采用剛塑性模型[5]，定義材料參數(shù)時(shí)選用POWER LAW準(zhǔn)則，其中n=0.55，B=949。

2.3 邊界條件定義

板料四周壓邊以及焊縫處全約束，對(duì)稱面限制垂直于面方向的移動(dòng)，對(duì)板料表面施加超塑性控制的面載荷，以及第一階段成形后面板的約束。

2.4 接觸設(shè)置

模具定義為剛體[6]，面板整體定義為1個(gè)變形體，另將芯板與面板擴(kuò)散連接區(qū)域、芯板與芯板擴(kuò)散連接區(qū)域和芯板不需要擴(kuò)散連接區(qū)域分別定義為3個(gè)不同的變形體，根據(jù)成形過(guò)程的兩個(gè)階段定義兩個(gè)接觸表：第1個(gè)定義面板與模具的接觸；第2個(gè)定義芯板與面板、芯板之間的接觸。

2.5 分析及模擬結(jié)果

定義超塑性壓力控制，采用的壓力大小范圍在0.001～2.0MPa，目標(biāo)應(yīng)變速率參考拉伸試驗(yàn)設(shè)置為0.000525s-1，采用最大應(yīng)變速率恒定法加載壓力，設(shè)置總的工況時(shí)間4500s，固定步長(zhǎng)時(shí)間5s[6-9]。

圖1 TA15在930℃和5.25×10-4 s-1下超塑拉伸斷裂試樣（最大延伸率δ為1030%）Fig.1 Superplastic tensile failure sample of TA15 at 930℃ and 5.25×10-4 s-1（maximun elongation δ：1030%）

圖2 TA15四層板結(jié)構(gòu)超塑成形過(guò)程模擬Fig.2 Simulation of TA15 four-sheet structure's superplastic forming processes

圖3 TA15四層板結(jié)構(gòu)SPF/DB壓力p-時(shí)間t曲線Fig.3 Pressure-time curves (p-t) of TA15 four-sheet structure's SPF/DB process

作業(yè)參數(shù)設(shè)置中接觸控制選擇修正的庫(kù)侖摩擦模型，臨界相對(duì)速度2×10-5mm/s，在非線性分析中選擇大應(yīng)變、載荷為隨動(dòng)力。

模擬結(jié)果得到四層板的成形過(guò)程與壓力曲線，鈦合金四層板結(jié)構(gòu)超塑成形的模擬過(guò)程如圖2所示。在應(yīng)變速率5.25×10-4s-1，超塑壓力2.0MPa條件下，MSC.Marc軟件生成的壓力p-時(shí)間t曲線如圖3所示，該理論曲線經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改可用作試驗(yàn)研究的工藝曲線。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 TA15四層板結(jié)構(gòu)SPF/DB試驗(yàn)

本文選定的TA15四層板結(jié)構(gòu)有3×3共9個(gè)筋格，由兩個(gè)面板和兩個(gè)芯板組成，面板厚度為1mm，芯板厚度為1.2mm，毛坯外形尺寸310mm×246mm。

TA15四層板SPF/DB整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程大致分為3個(gè)階段：（1）前期準(zhǔn)備階段，包括板料準(zhǔn)備、止焊劑涂敷和板料周邊焊接等；（2）成形試驗(yàn)階段，包括模具加熱和到達(dá)目標(biāo)溫度后的成形等；（3）成形后處理，包括降溫取件、表面處理和金相組織分析等。其中試驗(yàn)過(guò)程又分為兩個(gè)階段：（1）面板 SPF、芯板 DB 階段；（2）芯板 SPF、芯板之間的DB以及芯板和面板之間的DB階段。

TA15四層板結(jié)構(gòu)SPF/DB成形溫度選定為T=930℃，為了保證擴(kuò)散連接接頭的焊合率，對(duì)有限元模擬獲得的壓力p-時(shí)間t曲線進(jìn)行修正。對(duì)圖3（a）的第一成形階段,在2.0MPa下保壓2400s后，將擴(kuò)散連接壓力提高至2.5MPa；對(duì)圖3（b）的第二成形階段，在2.0MPa下保壓3600s后，將擴(kuò)散連接壓力提高至2.5MPa。第一階段成形時(shí)間t1=7240s，第二階段成形時(shí)間t2=14260s。

TA15四層板SPF/DB成形件照片如圖4所示，成形件整體效果良好，表面無(wú)溝槽等缺陷，直立加強(qiáng)筋完全成形，且接頭部位處于零件的上下對(duì)稱面上，需要擴(kuò)散連接的部位全部實(shí)現(xiàn)了連接。

韓文波等[10]報(bào)道了TC4四層空心瓦楞結(jié)構(gòu)SPF/DB的研究結(jié)果，其成形過(guò)程為：在一個(gè)熱循環(huán)中，先將4塊板料按需在要連接的部位進(jìn)行DB，接著對(duì)毛坯進(jìn)行SPF，由于面板上已經(jīng)DB區(qū)域的厚度遠(yuǎn)大于其余區(qū)域，因此其試驗(yàn)件表面出現(xiàn)了明顯的溝槽。而本文的成形過(guò)程為：在一個(gè)熱循環(huán)中，2塊面板SPF的同時(shí)，2塊芯板在需要連接的部位DB，在面板/芯板之間卸載后，接著進(jìn)行芯板SPF、芯板/芯板DB以及芯板/面板DB，TA15成形件表面沒(méi)有出現(xiàn)溝槽。

3.2 擴(kuò)散連接質(zhì)量分析

為了分析TA15四層SPF/DB試驗(yàn)件擴(kuò)散連接的質(zhì)量，在試驗(yàn)件的4個(gè)部位切取金相試樣，如圖4所示。A位置是面板與芯板圓角處擴(kuò)散連接部位；B位置是直立加強(qiáng)筋靠近三角區(qū)的擴(kuò)散連接部位；C位置是面板與芯板擴(kuò)散連接部位；D位置是直立加強(qiáng)筋接頭擴(kuò)散連接部位。

試驗(yàn)件擴(kuò)散連接位置金相組織，成形后的TA15合金的晶粒為均勻的柱狀晶粒組織，晶粒的尺寸大小約15μm。由擴(kuò)散連接接頭金相組織照片可知：A、C、D位置擴(kuò)散連接情況均良好，連接界面幾乎完全消失；B位置的連接界面基本消失，只出現(xiàn)了少許空洞，這是因?yàn)锽位置三角區(qū)域是芯板最后成形的部位，芯板與面板之間會(huì)有一些殘留的氣體，不可避免的產(chǎn)生了微小空洞。整體來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)件各個(gè)位置擴(kuò)散連接的情況基本一致，各連接處均實(shí)現(xiàn)了良好可靠的冶金連接，形成了一個(gè)整體且?guī)缀鯖](méi)有缺陷。本文試驗(yàn)研究結(jié)果為TA15合金SPF/DB結(jié)構(gòu)在高速飛行器上的應(yīng)用提供了可靠的成形工藝數(shù)據(jù)，并為具有預(yù)置鈦合金塊的SPF/DB結(jié)構(gòu)制造奠定了基礎(chǔ)[11]。

圖4 TA15四層SPF/DB試驗(yàn)件Fig.4 SPF/DB test pieces of TA15 four-sheet sandwich

4 結(jié)論

（1）超塑拉伸試驗(yàn)顯示，在溫度920℃和應(yīng)變速率5.25×10-4s-1時(shí)，TA15合金的最大延伸率約為1100%，其應(yīng)變速率敏感性指數(shù)約為0.57，在較佳超塑變形條件930℃和應(yīng)變速率5.25×10-4s-1附近，TA15合金的超塑本構(gòu)方程為

（2）對(duì)TA15四層板結(jié)構(gòu)超塑成形過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，獲得了壓力p-時(shí)間t曲線。

（3）在T=930℃和應(yīng)變速率5.25×10-4s-1下,成功進(jìn)行了TA15四層板結(jié)構(gòu)SPF/DB成形試驗(yàn)，試驗(yàn)件的整體質(zhì)量良好，無(wú)溝槽等缺陷，金相組織觀測(cè)表明，TA15四層SPF/DB試驗(yàn)件擴(kuò)散連接質(zhì)量?jī)?yōu)良，本文試驗(yàn)研究結(jié)果為TA15合金SPF/DB結(jié)構(gòu)在高速飛行器上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[1]李志強(qiáng), 郭和平. 超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù), 2005,30(1): 79-81.LI Zhiqiang, GUO Heping. Application of superplastic forming and diffusion bonding technology in aerospace industry[J]. Forging and Stamping Technology, 2005,30(1): 79-81.

[2]王哲. 鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 1999(3): 23-25.WANG Zhe. Application of superplastic forming and diffusion bonding technology of titanium alloy in aircraft structure[J]. Titanium Industry Progress, 1999(3): 23-25.

[3]李志強(qiáng),郭和平. 超塑成形/擴(kuò)散焊接技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].航空制造技術(shù), 2010(8):32-35.LI Zhiqiang, GUO Heping. Application progress and development trend of superplastic forming and diffusion bonding technology[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2010(8):32-35.

[4]BOTOMLEY I E.Superplastic forming and diffusion bonding of aircraft structures[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G:Journal of Aerospace Engineering, 1995,209(3):227-231.

[5]PRICE H J. Superplastic forming and diffusion bonding process:US7134176 B2[P]. 2002.

[6]陳火紅.新編Marc有限元實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.CHEN Huohong. New Marc finite element example tutorial[M].Beijing: Machinery Industry Press, 2007.

[7]林兆榮.金屬超塑性成形原理及應(yīng)用[M].北京:航空工業(yè)出版社, 1990.LIN Zhaorong. Principles and applications of metal superplastic forming[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 1990.

[8]錢九紅. 航空航天用新型鈦合金的研究發(fā)展及應(yīng)用[J]. 稀有金屬, 2000,24(3):218-223.Qian Jiuhong. Application and development of new titanium alloys for aerospace[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2000,24(3):218-223.

[9]SANDERS D G, RAMULU M. Examination of superplastic forming combined with diffusion bonding for titanium: Perspective from experience[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2004,13(6): 744-752.

[10]韓文波,張凱鋒,王國(guó)峰. Ti-6Al-4V 合金多層板結(jié)構(gòu)的超塑成形/擴(kuò)散連接工藝研究[J].航空材料學(xué)報(bào), 2005,25(6):29-32.HAN Wenbo, ZHANG Kaifeng, WANG Guofeng. Study on superplastic forming and diffusion bonding process of Ti-6Al-4V alloy with multi plate structure[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2005,25(6):29-32.

[11]JONG H Y , LEE H S ,YEONG M T.Finite element analysis on superplastic blow forming of TI-6Al-4V multi-sheets[J].Materials Science Forum, 2007, 546-549:1361-1366.