基于鈦合金舵面的超塑成形/擴散連接工藝

歐陽金棟，劉慧慧，馬俊飛，易龍，黃海龍，王直

(江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司，江西 南昌 330024)

0 引言

超塑成型/擴散連接(SPF/DB)組合工藝是一種先進的塑性加工新技術(shù)，常用于傳統(tǒng)方法難以成形的、形狀較為復雜的薄壁結(jié)構(gòu)零件。SPF/DB工藝根據(jù)SPF和DB先后順序不同，SPF/DB工藝可分為如下三種形式：先DB，后SPF；先SPF，后DB；SPF與DB同時進行。采用哪種方法好要視結(jié)構(gòu)和工藝需要而定[1-3]。過去幾年國內(nèi)外已在積極研究多層板的SPF/DB成形工作[4-6]，如艙門、機身框架、隔熱罩、熱交換導管、前緣縫翼、進氣道、后機身下整流片等零件，被廣泛應用于航空航天飛行器上[7]，以往用鉚制與螺釘緊固的組合件，現(xiàn)在可以采用SPF/DB工藝來制造。該工藝為大型整體結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)提供了新途徑，可節(jié)省大量的連接、緊固與裝配工序。采用整體件還能提高器件的壽命及整體性能，而且降低了生產(chǎn)成本。現(xiàn)在這種工藝已被美國、歐洲等世界發(fā)達國家認定為一種現(xiàn)代化制造技術(shù)，進而將對航空航天飛行器的設計制造產(chǎn)生巨大影響[8]。此外在減小質(zhì)量、延長壽命、降低成本、改善性能等方面具有傳統(tǒng)的成型工藝無法比擬的優(yōu)越性[9-10]。

國內(nèi)外近幾年對SPF/DB工藝進行了大量研究，門向南研究了TC4鈦合金三層板結(jié)構(gòu)件的SPF/DB工藝，分析了應變速率對成形時間和結(jié)果的影響，計算了在最佳成形應變速率條件下的加載壓力-時間曲線，成功制得了三層板結(jié)構(gòu)試驗件[11]。韓國航空宇宙研究院的J.H.Yoon研究了鈦合金多層板結(jié)構(gòu)的超塑氣脹成形/擴散連接工藝，通過有限元方法得出了優(yōu)化的P-T曲線，并將實驗結(jié)果與有限元模擬結(jié)果進行了對比[12]。徐偉研究了TC4鈦合金四層板結(jié)構(gòu)空心葉片的超塑性成形技術(shù)等[13]。雖然目前國內(nèi)對多層板的SPF/DB技術(shù)進行了大量研究，而且在雙層板和三層板的SPF/DB技術(shù)已經(jīng)很成熟，但對于四層板的SPF/DB成形有待進一步的深入研究。本文針對應用于某型號導彈鈦合金舵面，采用SPF/DB的組合工藝成形方式對TC4鈦合金板進行試驗研究。

1 試驗方案與設備

1.1 試驗方案

隨著飛行器朝著超音速、高超音速快速發(fā)展，對舵面的結(jié)構(gòu)性能提出了極高的要求。某飛行器舵面的外形由多個平面拼接而成的、封閉整體結(jié)構(gòu)，安裝邊具有一定高度且分布有安裝孔。安裝孔分布在一定大小的安裝座上，以減緩集中力的作用，保證舵、翼面零件與彈體零件的連接強度、穩(wěn)定性和可靠性。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為空心十字筋結(jié)構(gòu)，加強筋結(jié)構(gòu)采用輻射網(wǎng)格式，靠近安裝座區(qū)域，立筋呈放射狀；安裝座區(qū)域為實體結(jié)構(gòu)，為避免應力過度集中，通過加強片實現(xiàn)厚度過渡。結(jié)構(gòu)上緣及舵面的前緣均存在實體結(jié)構(gòu)，以增強結(jié)構(gòu)的強剛度。其外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 舵面外形及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式

舵面體在工作過程中兩表面最大壓差為0.27MPa，要求舵體在滿足強度要求的情況下，產(chǎn)生的最大剛度位移不大于7mm，舵面展弦比約為0.63，為小展弦比翼面。鑒于舵面零件氣動內(nèi)外形結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求的特殊性，采用以下結(jié)構(gòu)成形方案，即四層板+局部實體的成形方案，成形出帶十字筋的空心結(jié)構(gòu)，其成形原理如圖2所示。該方案突破了傳統(tǒng)的舵面所采用的蒙皮-骨架實體結(jié)構(gòu)，制造出了薄壁空心的鈦合金舵面，在滿足設計要求性能的同時，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化，獲得了顯著的減重效益。

圖2 舵面成形工藝原理圖

為了實現(xiàn)設計多要求的結(jié)構(gòu)，在工藝上采取了“薄板+實體”的混雜四層結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安裝連接、強剛度滿足要求；同時，鑒于結(jié)構(gòu)均為斜面結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)零件成形質(zhì)量的穩(wěn)定，維持成形壓力的平衡，在工藝上采取了一坯兩件的方式，如圖4所示。

圖3 舵面工藝成形結(jié)構(gòu)形式

圖4 一坯兩件結(jié)構(gòu)形式

1.2 試驗材料與設備

根據(jù)超塑性變形機理，具有細小的晶粒度和高溫下的微細組織的穩(wěn)定性是超塑性材料的兩個基本特征。α+β型鈦合金是常用的三類鈦合金中最符合要求的一類，其本身具有細小的晶粒，晶粒尺寸為5～15μm，并由于其為兩相組織，在高溫下兩相相互制約，使得晶粒難以長大，能夠保持為微細組織，利于超塑性成形。

航空航天工業(yè)常用的TC4鈦合金即屬于α+β型鈦合金，其具有比強度高、耐腐蝕等許多優(yōu)良的性能。本文試驗材料采用厚度為芯板0.8mm和面板1mm的TC4板材，TC4主要質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 TC4鈦合金主要質(zhì)量分數(shù) %

試驗超塑成形/擴散連接設備采用FSP400T的機床，由加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)組成，可以很方便地控制爐內(nèi)模具溫度及氣壓加載過程，其外形如圖5所示。

圖5 舵面SPF/DB成形設備FSP400T

1.3 成形工藝及流程

根據(jù)上述舵面所確定的SPF/DB工藝成形方案，SPF/DB成形毛坯成形組件除一般四層結(jié)構(gòu)的外層板與內(nèi)層板以外，還包括安裝座、加強片、上緣/前緣實體。安裝座即位于舵面安裝邊一側(cè)，與內(nèi)外層板在SPF/DB后形成一個寬度為5 mm(安裝連接孔區(qū)域除外)左右的實體邊；為盡可能提高安裝孔區(qū)域的承載能力并減少蒙皮厚度突變的影響，在安裝座孔區(qū)域增加了加強片，在緩解應力集中的同時，提高了結(jié)構(gòu)的強剛度。

舵面成形工藝流程如圖6，其中主要的工序有：毛坯組件加工、圖形制備、成形工序SPF/DB及檢測。SPD/DB工序是舵面由板材成形為零件的重要工序，零件外形、立筋成形質(zhì)量、擴散連接質(zhì)量都是由該工序完成，因此該工序被確認為特殊過程。

圖6 舵面成形工序

舵面外形依靠成形模具來保障，同時通過模具的閉合實現(xiàn)成形毛坯四周邊緣的擴散連接。模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。在模具結(jié)構(gòu)上，主要包括吊掛結(jié)構(gòu)、熱電偶孔、成形毛坯定位結(jié)構(gòu)、上下模具定位結(jié)構(gòu)等；同時，為保障舵面成形質(zhì)量的穩(wěn)定性與減少修模次數(shù)，應保障模具具有足夠的剛強度，模具材料選用耐高溫的材料GH4169。

圖7 舵面SPF/DB成形模具

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 舵面成形工藝參數(shù)

舵面所采用的SPF/DB工藝參數(shù)，將直接影響零件的強度和性能。在SPF/DB工藝過程中，主要的工藝參數(shù)有溫度、壓力、時間、加壓速率等。各參數(shù)之間有著相互依賴的密切關(guān)系。

溫度是影響擴散連接質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，直接或間接地影響著成形零件的擴散連接質(zhì)量。鈦合金通常在860℃～1 280℃溫度范圍內(nèi)只要壓力和時間合適，都能得到較好的焊接質(zhì)量。對于TC4來說，β相變溫度為940℃～995℃，溫度超過940℃，相開始向β相轉(zhuǎn)變，隨溫度的增加，轉(zhuǎn)變加快，同時晶粒逐步增大，影響超塑成形和擴散連接的順利進行。

壓力是擴散焊接表面能否緊密接觸的重要因素。提高擴散連接壓力能顯著地縮短連接時間，從而減輕材料組織長大程度，有利于超塑成形。但是壓力不能過高，否則對模具、設備和構(gòu)件變形均有不利影響。此外在一定的工藝條件下，超塑成形所需壓力主要取決于板材厚度、結(jié)構(gòu)件形狀復雜程度和原材料晶粒大小。

進行多層結(jié)構(gòu)的SPF/DB時，時間也是個重要參數(shù)，而且接頭強度也是隨著連接時間的增加而提高，直至達到基體金屬的強度。但如果時間過長晶粒進一步長大，導致材料的塑性下降。

通過多次的SPF/DB試驗研究，發(fā)現(xiàn)成形該舵面的最佳成形溫度為910℃，初始加床壓20t～40t，當氣壓達到0.8MPa，液壓增大到80t～100t(氣壓降低時反順序調(diào)節(jié))；外層進氣時，內(nèi)層持續(xù)抽真空至保壓階段或以后，外層氣路在10min內(nèi)進氣到1.5MPa并保壓80min～100min后放氣；內(nèi)層進氣到1.5MPa～2.0MPa，并保壓150min。

2.2 SPF/DB舵面的質(zhì)量

1) 焊合率

在常溫、無強光、無高噪聲的環(huán)境下采用S314005對擴散連接后毛坯進行超聲檢測，安裝座區(qū)域焊合區(qū)不小于95%，而其他區(qū)域焊合率也高于90%，單個焊合面積不大于50 mm2，相鄰兩個擴散連接未焊合缺陷的間距不小于其中較大缺陷軸長度。

2) 微觀組織

采用Leica DM6000M金相顯微鏡觀察擴散連接后材料的顯微組織，如圖8所示。從圖8中可以看出組織為等軸相+晶間β相，相等軸晶粒度級別指數(shù)大于9級，較原始組織沒有發(fā)生太大變化，即材料在經(jīng)過超塑成形/擴散連接后力學性能沒有發(fā)生太大的變化。

圖8 SPF/DB成形后材料的微觀組織

3) 力學性能

為了檢測SPF/DB后材料的力學性能是否合格，通過電子萬能試驗機對SPF/DB后的材料(隨爐試樣)進行常溫及高溫的拉伸試驗，選取的溫度點有25 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃，其力學性能如表2所示。

表2 舵面隨爐試樣SPF/DB后材料的力學性能

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，SPF/DB后材料的常溫抗拉強度為910 MPa，與原始材料的常溫性能基本沒有變化，在高溫500 ℃下材料的抗拉強度也達到499 MPa，滿足導彈在飛行中產(chǎn)生高溫下的力學性能。

4) 零件幾何外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖9是SPF/DB成形出的舵面，從其外形可以看出空腔表面處沒有凹陷，成形出的舵面經(jīng)過機加修剪邊線與模型基本一致。

在溫度為20℃、濕度為50%RH條件下采用三坐標測量機對其外形輪廓進行檢測，輪廓偏差為-0.304～0.340 mm，偏差很小，合格。

為了檢測其內(nèi)部筋條結(jié)構(gòu)是否合格，采用MG226型X射線機對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢測，經(jīng)檢測在其筋格結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，結(jié)構(gòu)成形完好。

圖9 SPF/DB成形出的舵面

3 結(jié)語

1) 溫度、壓力、時間、加壓速率等工藝參數(shù)直接影響SPF/DB成形零件的強度和性能，舵面的最佳成形工藝參數(shù)：溫度為910 ℃，初始加床壓20 t～40 t，當氣壓達到0.8 MPa，液壓增大到80 t～100 t；外層氣路在10 min內(nèi)進氣到1.5 MPa并保壓80 min～100 min后放氣；內(nèi)層進氣到1.5 MPa～2.0 MPa，并保壓150 min。

2) SPF/DB成形出的舵面空腔表面處沒有凹陷，成形出的舵面經(jīng)過機加修剪邊線與模型基本一致，內(nèi)部筋格完好。焊合率達90%以上，材料微觀組織在經(jīng)過超塑成形/擴散連接后力學性能沒有發(fā)生太大的變化，力學性能合格。

[1] Li Z Q, Li X H. The application of SPF/DB combined welding technologies[J]. Materials Science Forum, 2007, 511/512:49-54.

[2] 吳詩惇. 金屬超塑性變形理論[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1997: 13-18.

[3] 曲鳳盛, 張凱鋒, 呂宏軍. GH4169高溫合金多層板結(jié)構(gòu)的激光連接/超塑成形組合技術(shù)[J]. 航空材料學報, 2009, 25(4): 27-32.

[4] LARRYDH. D. H. Innovations in the super-plastic forming and diffusion bonding process[J]. Materials Engineering Performance, 2008, 17(2): 178-182.

[5] 李梁, 孫建科, 孟祥軍. 鈦合金超塑性研究及應用現(xiàn)狀[J]. 材料開發(fā)與應用, 2004, 12：43-83.

[6] QU F S, LU Z, XING F , ZHANG K F. Study on laser beam welding/superplastic forming technology of multi-sheet cylinder sandwich structure for Inconel718 superalloy with ultra-fine grains[J]. Materials and Design, 2012, 39: 151-161.

[7] 李志強, 郭和平. 超塑成形/擴散連接技術(shù)的應用進展和發(fā)展趨勢[J]. 航空制造技術(shù), 2010(8): 32-35.

[8] 陳科斌, 張凱鋒, 王仲仁. 板材超塑成形/擴散連接過程的三維有限元模擬[J]. 塑性工程學報, 1998, 5(2): 20-25.

[9] Jung-Ho Cheng. The determination of material parameters from superplastic inflation tests[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1996, 58: 233-246.

[10] Paul D. Edwards, Daniel G. Sanders, M. Ramulu, et al. Thinning Behavior Simulations in Super plastic Forming of Friction Stir Processed Titanium 6Al-4V[J]. Journal of Materials Engineering and Performance. 2010, 19(4): 481-487.

[11] 門向南. TC4三層板結(jié)構(gòu)超塑成形/擴散焊接工藝研究[D]. 南京：南京航空航天大學, 2010.

[12] J.H. Yoon, H.S. Lee, Y.M. Yi. Finite element simulation on superplastic blow forming of diffusion bonded 4 sheets[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 201: 68-72.

[13] 高慶峰. 寬弦空心風扇葉片超塑成形的數(shù)值仿真研究[D]. 南京：南京航空航天大學, 2008.