Ti2AlNb合金超塑性能及四層立筋結(jié)構(gòu)超塑成形/擴(kuò)散連接工藝

李保永，蔣少松

Ti2AlNb合金超塑性能及四層立筋結(jié)構(gòu)超塑成形/擴(kuò)散連接工藝

李保永1, 2，蔣少松1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 金屬精密熱加工國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2. 北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013)

對(duì)Ti-22Al-27Nb合金四層結(jié)構(gòu)件SPF/DB組合工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)Ti-22Al-27Nb合金的超塑性能及擴(kuò)散連接性能進(jìn)行探究。拉伸實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)變形溫度為960 ℃、應(yīng)變速率為1×10?4s?1時(shí)，材料伸長(zhǎng)率達(dá)到最大，為230%。對(duì)溫度、保溫時(shí)間和擴(kuò)散壓力對(duì)Ti-22Al-27Nb合金接頭質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明Ti-22Al-27Nb合金擴(kuò)散連接的最佳工藝參數(shù)為(960 ℃，10 MPa，2 h)。根據(jù)高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，利用有限元模擬軟件對(duì)中空四層結(jié)構(gòu)件超塑成形過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)SPF/DB組合工藝成形得到外觀質(zhì)量良好的Ti-22Al-27Nb合金中空四層結(jié)構(gòu)件，成形構(gòu)件壁厚分布均勻。

Ti-22Al-27Nb；擴(kuò)散連接；超塑成形；四層結(jié)構(gòu)

隨著航空航天領(lǐng)域?qū)p質(zhì)結(jié)構(gòu)材料需求的增加，Ti2AlNb基合金憑借著優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，較低的密度、良好的抗氧化性而日異受到航空航天制造業(yè)的青睞。Ti2AlNb基合金是指Nb的摩爾分?jǐn)?shù)在25%左右的Ti-Al-Nb系合金，與Nb含量較低的Ti3Al-Nb合金相比具有更好的力學(xué)性能[1]。Ti2AlNb基合金的成分通常在Ti-(18%~30%)Al-(12.5%~30%)Nb(摩爾分?jǐn)?shù))，并含有少量的其他合金元素，如V，Ta等。根據(jù)Nb含量的不同，可將Ti2AlNb基合金分為第一代相合金和第二代相合金。一般認(rèn)為第一代相合金為Nb含量低于25%(摩爾分?jǐn)?shù)) Ti2AlNb基合金，在三相區(qū)熱處理獲得的組織為2+2+三相，第一代相合金的代表產(chǎn)品有Ti-25Al-17Nb、Ti-21Al-22Nb和Ti-22Al-23Nb；第二代相合金為Nb含量不低于25%的合金，在兩相區(qū)熱處理獲得的組織為2+兩相，代表產(chǎn)品Ti-22Al-25Nb、Ti-22Al-27Nb。研究表明，第二代相合金的性能要明顯的優(yōu)于第一代相合金，第二代相合金是該類合金研究的重點(diǎn)[2]。

對(duì)于一些形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，Ti2AlNb基合金的成形需要在900 ℃以上的高溫條件下進(jìn)行。合適成形工藝的選擇對(duì)于促進(jìn)Ti2AlNb基合金的推廣應(yīng)用具有重要意義。對(duì)于常溫難變形材料(如Ti合金)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，通常采用超塑性成形工藝成形[3]。這是由于在超塑成形條件下材料具有良好的塑性和低流動(dòng)應(yīng)力，且制造的構(gòu)件無(wú)回彈等缺陷[4]。因而，超塑性成形工藝是適合于Ti2AlNb基合金的理想成形工藝。超塑性成形工藝充分利用了材料的超塑性，研究Ti2AlNb基合金超塑成形工藝的前提即為研究Ti2AlNb基合金的超塑性能。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)Ti2AlNb基合金的超塑性能進(jìn)行了研究[5-13]。研究表明：Ti2AlNb基合金具有超塑性的溫度范圍和應(yīng)變速率范圍分別為900~980 ℃和1×10?5~1×10?3s?1，而由于研究者使用的Ti2AlNb基合金成分和熱力學(xué)處理方法的不同，使得制備的Ti2AlNb基合金的最大伸長(zhǎng)率從剛剛達(dá)到超塑性條件的217%到具有良好超塑性的1570%不 等[11-12]。由此可知不同成分和熱力學(xué)處理的Ti2AlNb基合金的超塑性能在伸長(zhǎng)率上差別很大，在應(yīng)用Ti2AlNb基合金的超塑性時(shí)，要首先確定所使用的Ti2AlNb基合金的超塑性能。

為了促進(jìn)Ti2AlNb基合金及其成形結(jié)構(gòu)件的推廣應(yīng)用，除了需要具有良好的成形性能之外，還需要具有良好的焊接性能。良好的焊接性能不僅指材料本身的可焊性良好，也包括Ti2AlNb基合金能與其他目前常用的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料Ti合金、TiAl基合金以及Ni基高溫合金等形成良好的連接，這樣才能使得Ti2AlNb基合金成為有應(yīng)用價(jià)值的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料。目前，已有很多學(xué)者對(duì)Ti2AlNb基合金自身以及與其他材料的焊接性能進(jìn)行了研究，這些焊接方法包括電子束焊，固態(tài)擴(kuò)散焊等多種焊接方法。對(duì)于Ti2AlNb基合金自身擴(kuò)散連接技術(shù)，目前主要是國(guó)內(nèi)的學(xué)者進(jìn)行了研究。鄒貴生等[14]在Gleeble 1500D模擬試驗(yàn)機(jī)上研究了Ti-22Al-25Nb合金無(wú)中間層的直接擴(kuò)散連接，研究表明當(dāng)連接溫度≥970 ℃、連接壓力≥7MPa、連接時(shí)間≥0.5 h時(shí)，獲得的接頭強(qiáng)度較高(最大接頭強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的91%)且界面結(jié)合良好。當(dāng)連接溫度高于1000 ℃時(shí)，雖然接頭的強(qiáng)度提高了，但使得2相粗化，相減少。李貝貝等[15-16]在真空熱壓的條件下研究了Ti2AlNb基合金的固態(tài)擴(kuò)散連接，發(fā)現(xiàn)較好的擴(kuò)散連接工藝參數(shù)為=950 ℃，=10~15 MPa，=120 min，此時(shí)界面處結(jié)合良好。

Ti-22Al-27Nb合金的三層板和四層板結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，它們的傳統(tǒng)制造方法是通過(guò)鉚接或膠接來(lái)成形，因而其整體性和連接強(qiáng)度均未達(dá)到最佳程度[17]。超塑成形技術(shù)與擴(kuò)散連接技術(shù)即SPF/DB組合技術(shù)，把超塑成形和擴(kuò)散連接的優(yōu)點(diǎn)集中于一身，可以生產(chǎn)復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)件，采用SPF/DB技術(shù)制造的多層結(jié)構(gòu)件在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本方面具有極大的優(yōu)越性[18?19]。

本文主要針對(duì)典型的多層結(jié)構(gòu)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)和彈翼對(duì)于耐高溫和輕質(zhì)化的雙重要求，以研發(fā)Ti2AlNb基合金超塑成形/連接組合技術(shù)為基礎(chǔ)，掌握其熱塑性成形/連接組合工藝條件下變形及組織演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)鈦鋁系合金多層結(jié)構(gòu)微觀組織、力學(xué)性能和三維型面精確控制，推動(dòng)該類材料在耐熱結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

使用的Ti2AlNb基合金是由鋼研院提供的厚度為1 mm的熱軋板材，名義成分為T(mén)i-22Al-27Nb(摩爾分?jǐn)?shù)，%)，表1所列為T(mén)i-22Al-27Nb合金的具體化學(xué)成分。

表1 Ti2AlNb基合金的化學(xué)成分

Ti2AlNb基合金高溫拉伸試驗(yàn)在Instron 5569R電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)調(diào)節(jié)橫梁的移動(dòng)速度控制拉伸應(yīng)變速率。對(duì)于Ti2AlNb基合金高溫拉伸，拉伸試樣標(biāo)距長(zhǎng)為18 mm，標(biāo)距寬6 mm；試驗(yàn)溫度為920 ℃、940 ℃、960 ℃，初始應(yīng)變速率依次為1×10?3s?1、5×10?4s?1和1×10?4s?1，拉伸方向?yàn)榘宀牡能堉品较颉?/p>

Ti2AlNb合金的擴(kuò)散連接工藝在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行，如圖1所示，連接過(guò)程中真空度為5×10?3Pa，用于擴(kuò)散連接的試樣尺寸分別為8 mm×40 mm×3 mm和5 mm×40 mm×3 mm。這些試樣的表面經(jīng)過(guò)240#~1200#SiC砂紙依次打磨，然后在丙酮中超聲清洗5 min，加熱過(guò)程升溫速率為15 ℃/min，擴(kuò)散連接工藝的示意圖如圖2所示。針對(duì)Ti-22Al-27Nb合金的擴(kuò)散連接，擴(kuò)散連接溫度為940 ℃和960 ℃，擴(kuò)散連接壓力選擇10 MPa和15 MPa，連接時(shí)間為1 h和2 h。

圖1 ZRY55型真空熱壓燒結(jié)爐

圖2 擴(kuò)散連接示意圖

擴(kuò)散連接試樣及基體材料的剪切強(qiáng)度測(cè)試同樣在Instron 5569R型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)條件為室溫，壓頭下降的速度為0.5 mm/min。為了保證測(cè)量接頭剪切強(qiáng)度的準(zhǔn)確性，每個(gè)參數(shù)下的擴(kuò)散連接接頭至少測(cè)試3個(gè)，用平均值來(lái)作為連接接頭的最終強(qiáng)度。

Ti-22Al-27Nb合金板材四層結(jié)構(gòu)的超塑成形/擴(kuò)散連接工藝試驗(yàn)在2000 kN超塑成形試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓力機(jī)提供成形的壓邊力和擴(kuò)散連接的壓力。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)FEI Quanta 200F型掃描電鏡對(duì)材料的擴(kuò)散連接界面進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti2AlNb合金的超塑性能

圖3所示為T(mén)i-22Al-27Nb合金不同溫度不同應(yīng)變速率下的拉伸曲線。從圖3可以看出，Ti-22Al-27Nb合金板材在960 ℃，應(yīng)變速率為1×10?4s?1條件下的最大伸長(zhǎng)率為230%。隨著溫度的升高，合金的流動(dòng)應(yīng)力降低。變形開(kāi)始階段，材料的流動(dòng)應(yīng)力急劇上升，此時(shí)材料內(nèi)部位錯(cuò)的塞積，纏結(jié)、割階所引起的加工硬化起主導(dǎo)作用，材料內(nèi)部發(fā)生的動(dòng)態(tài)回復(fù)和部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用遠(yuǎn)低于硬化作用。隨拉伸過(guò)程的進(jìn)行，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)于拉伸曲線斜率逐漸降低。從圖3可以看出，隨著應(yīng)變速率的降低，合金的流動(dòng)應(yīng)力降低。

這可以用Backofen方程來(lái)解釋：

圖4所示為伸長(zhǎng)率與溫度及應(yīng)變速率關(guān)系，920 ℃時(shí)候伸長(zhǎng)率小，材料在該溫度下顯示出超塑性。隨著溫度的升高，材料的伸長(zhǎng)率也呈增加趨勢(shì)，主要是因?yàn)闇囟壬呖梢越档团R界切變應(yīng)力并提高原子的自由能，促進(jìn)晶界的滑移。在940 ℃、960 ℃時(shí)，伸長(zhǎng)率隨著應(yīng)變速率降低而增加，在960 ℃低應(yīng)變速率下拉伸，其最高應(yīng)變量可達(dá)到230%。

2.2 擴(kuò)散連接接頭的剪切強(qiáng)度和微觀形貌

擴(kuò)散連接時(shí)的連結(jié)溫度、連接壓力、連接時(shí)間、表面粗糙度以及真空度均對(duì)擴(kuò)散連接最終質(zhì)量有影響。在本次擴(kuò)散連接試驗(yàn)中，所有擴(kuò)散連接試樣表面均經(jīng)過(guò)相同的機(jī)械處理且擴(kuò)散連接工藝在具有相同真空度的熱壓燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行，因此表面粗糙度以及和真空度對(duì)擴(kuò)散連接的影響可以忽略。因此，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)連接溫度、連接壓力、連接時(shí)間是主要影響剪切強(qiáng)度和連接界面微觀組織的主要因素。從前面已知，Ti-22Al-27Nb在940~960 ℃，應(yīng)變速率1×10?4s?1下表現(xiàn)出良好的塑性。通常情況下，在超塑成形/擴(kuò)散連接工藝中擴(kuò)散連接溫度與超塑成形溫度相同。因此，本文重點(diǎn)研究該合金在940 ℃和960 ℃下的擴(kuò)散連接性能。

圖3 Ti-22Al-27Nb合金真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線

圖4 Ti-22Al-27Nb合金的伸長(zhǎng)率與溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系

在室溫條件下測(cè)試了連接接頭的抗剪切強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度與連接參數(shù)之間的關(guān)系如圖5所示。連接溫度、連接壓力和連接時(shí)間影響接頭的抗剪切強(qiáng)度。當(dāng)連接壓力和連接時(shí)間相同時(shí)，在960 ℃條件下得到的接頭的剪切強(qiáng)度要大于940 ℃時(shí)得到的接頭剪切強(qiáng)度。另外，高的連接壓力和長(zhǎng)的擴(kuò)散連接時(shí)間均將引起相應(yīng)接頭剪切強(qiáng)度的增加。每種實(shí)驗(yàn)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的微觀組織和連接界面如圖6所示，連接質(zhì)量可通過(guò)剪切強(qiáng)度測(cè)量評(píng)價(jià)。

圖5 不同連接參數(shù)下獲得接頭的剪切強(qiáng)度

溫度影響接觸界面的局部塑性變形和擴(kuò)散行為，在低溫條件下微區(qū)塑性變形不充分，會(huì)影響擴(kuò)散連接的質(zhì)量。對(duì)比圖6(a)和6(e)中，明顯可以看到連接界面在圖6(e)的連接區(qū)域更大且強(qiáng)度更高，高溫促進(jìn)擴(kuò)散連接工藝。

增加擴(kuò)散連接壓力可以提高局部塑性變形減少界面處的微觀孔洞。當(dāng)連接壓力從10 MPa增加到15 MPa時(shí)，基體之間的連接面積增大，960 ℃下剪切強(qiáng)度從88.6 MPa增加184 MPa。高的連接壓力可以得到高強(qiáng)度的接頭，但連接壓力過(guò)大會(huì)造成基體嚴(yán)重的變形影響最終構(gòu)件的精度。因此，連接壓力的選擇要合適。

延長(zhǎng)連接時(shí)間可以有效地提高元素的擴(kuò)散和增加連接面積以及抗剪切強(qiáng)度。對(duì)比圖6，可以發(fā)現(xiàn)后者在界面處的微觀孔洞基本消失，連接時(shí)間2 h對(duì)于獲得良好的接頭是很有必要的。在(960 ℃，10 MPa，2 h)和(960 ℃，15 MPa，2 h)條件下得到的接頭剪切強(qiáng)度超過(guò)300 MPa?；跀U(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)散工藝參數(shù)選擇為(960 ℃，10 MPa，2 h)。

2.3 四層結(jié)構(gòu)的有限元模擬

本試驗(yàn)以四層結(jié)構(gòu)件為有限元分析目標(biāo)，板料的尺寸為175 mm×350 mm×1 mm，有限元模型包括成形模具模型以及板料模型，模具模型和板料模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后可直接在MSC.MARC中建立。對(duì)于本試驗(yàn)的研究的兩種四層結(jié)構(gòu)以及成形所需的模具，結(jié)構(gòu)均具有對(duì)稱性，在保證不影響計(jì)算結(jié)果的前提下對(duì)有限元模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，以保證有限元分析結(jié)果可更直觀的呈現(xiàn)和計(jì)算速度的加快。因而，采用1/4模型進(jìn)行有限元分析，即為兩層板料及同側(cè)模具的一半作為有限元分析的模型。

圖7所示為面板成形的最終厚度分布圖，由圖7可以看出，對(duì)于面板成形，最薄部位的厚度在0.79 mm左右，材料的性能能夠滿足這種厚度變化。

根據(jù)模型尺寸及要求，進(jìn)行了網(wǎng)格尺寸寬度為50 mm，擴(kuò)散連接寬度為4 mm的有限元分析，得到最終的厚度分布結(jié)果如圖8所示，由于成形的網(wǎng)格寬度較小，且高度最大的部位為最后成形部位，在直立筋部位減薄嚴(yán)重，最薄厚度不足0.1 mm。增加網(wǎng)格的寬度，圖9所示為網(wǎng)格寬度80 mm時(shí)的成形厚度分布結(jié)果，圖9中為成形過(guò)程中板材部分貼模時(shí)的厚度分布，最小厚度也在0.12 mm，而此時(shí)直立部位的成形并未完全完成，對(duì)于目前Ti2AlNb合金該減薄量過(guò)大，將產(chǎn)生破裂。

根據(jù)分析結(jié)果，可以確定對(duì)于目前的材料性能，進(jìn)行這種結(jié)構(gòu)的成形由于受到成形高度的限制，結(jié)構(gòu)件的成形極易出現(xiàn)破裂，造成結(jié)構(gòu)件的失效。針對(duì)該種情況，對(duì)結(jié)構(gòu)件的成形方法進(jìn)行改進(jìn)，利用內(nèi)部放置直立筋以代替芯板變形的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)件的成形，采用放置直立筋的成形方法，直立筋部位的主要變形為彎曲變形，面板成形和擴(kuò)散連接是關(guān)鍵，已經(jīng)對(duì)面板成形進(jìn)行分析，減薄量小，易于成形，放置直立筋的成形示意圖如下圖10所示。

圖6連接參數(shù)對(duì)連接界面微觀組織的影響

圖7 面板成形厚度分布圖

圖8芯板成形厚度分布(網(wǎng)格50 mm)

圖9 芯板成形厚度分布(網(wǎng)格80 mm)

圖10 直立筋結(jié)構(gòu)成形示意圖

在原始模具模型的基礎(chǔ)上，在模具的中間部位放置4條直立筋，其中一條直立筋要與兩個(gè)不同的平面擴(kuò)散連接，變形不同于其他3條直立筋，直立筋的布置及最終成形結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，面板的厚度仍舊在0.7 mm以上，而直立筋的厚度基本不發(fā)生變化，直立筋的主要變形為彎曲變形。3條直立筋在垂直方向上拉直效果較明顯，而與兩個(gè)平面相連接的直立筋由于形狀尺寸和另外3條相同。

2.4 中空四層結(jié)構(gòu)SPF/DB成形

立筋四層結(jié)構(gòu)芯板形狀如圖12所示。

對(duì)預(yù)擴(kuò)散區(qū)域首先進(jìn)行機(jī)械打磨，首先采用粗砂紙對(duì)芯板和面板表面進(jìn)行打磨，后采用細(xì)砂紙800#或1000#的砂紙進(jìn)行打磨?；瘜W(xué)處理采用酸洗，酸洗液成分體積配比：(HF):(HNO3):(H2O)=1:3:7。酸洗時(shí)間10 min左右，在酸洗過(guò)程中使用毛刷不斷刷去酸洗表面反應(yīng)生成的殘留物，酸洗完后采用酒精清洗板材的表面，在干燥通風(fēng)處將酸洗后的芯板和面板晾干。

圖11 直立筋的超塑成形模擬結(jié)果

圖12 立筋結(jié)構(gòu)芯板實(shí)物圖

對(duì)于接觸面板與芯板以及芯板與芯板之間非擴(kuò)散部位涂抹止焊劑。對(duì)于四層結(jié)構(gòu)將阻焊劑主要涂抹在兩層芯板的上、下表面，面板內(nèi)表面可不涂抹止焊劑。

對(duì)于四層結(jié)構(gòu)的面板和芯板，芯板的尺寸同面板相比小很多，除了等腰梯形面板的上底邊處為四層板料，其他三個(gè)邊上均只有兩層面板而無(wú)多余的芯板結(jié)構(gòu)，因而需要在邊緣部位放置兩層與芯板厚度相同的Ti2AlNb合金板料，沿其他三個(gè)邊的邊緣放置，保證封邊焊區(qū)域均為4層結(jié)構(gòu)。

封邊焊接之后，在加熱之前即開(kāi)始抽真空，真空度至2×10?2MPa，持續(xù)抽真空到擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)結(jié)束。擴(kuò)散連接前在板材上下放置兩塊略小的面板的高溫合金板(2 mm左右)，置于封邊焊焊縫輪廓的內(nèi)部，不與焊縫接觸。保證擴(kuò)散過(guò)程中壓力分布的均勻和壓邊區(qū)域的擴(kuò)散連接，另外止焊劑有一定厚度，在多層結(jié)構(gòu)需擴(kuò)散部位面板上、下各放置一層或兩層Ti箔，抵消止焊劑帶來(lái)的厚度差。

擴(kuò)散連接過(guò)程中持續(xù)抽真空，由于芯板的尺寸小于面板尺寸，在無(wú)芯板的區(qū)域面板受到外部壓力的作用有一定程度的向內(nèi)變形，該部分兩層面板會(huì)有一定的接觸連接，但由于Ti2AlNb合金擴(kuò)散連接所需的壓力較大，接觸連接部分在隨后的脹形過(guò)程中一定氣壓條件下會(huì)分開(kāi)。

加熱到溫度后，保溫1 h，以保證模具和板料的溫度達(dá)到設(shè)定溫度。保溫過(guò)程中即可施加一定的壓力，模具熱脹使得壓力在保溫過(guò)程中逐漸增大，擴(kuò)散連接參數(shù)為(960 ℃，10 MPa，2 h)，壓力機(jī)指示在50 t左右，而鈦箔總面積約為12000 mm2，計(jì)算平均壓力在40 MPa左右?？蓪?shí)現(xiàn)Ti2AlNb基合金四層結(jié)構(gòu)面板與芯板以及芯板間的良好擴(kuò)散連接。

待溫度下降后取件更換模具，成形模具尺寸略小于板料，梯形板料上下底邊的焊縫均在模具外側(cè)，露出2 mm左右，之后裝爐加熱。

成形溫度選擇970 ℃，待溫度升高至指定溫度后，通入氬氣進(jìn)行面板的超塑成形，氣體壓力緩慢增加，大約5 min氣體壓力增加0.1 MPa，待氣壓增值1 MPa之后，可加快增壓速度，20~30 min內(nèi)增加至2~2.5 MPa，保壓1 h左右。圖13所示為成形后的Ti2AlNb合金多層結(jié)構(gòu)。成形輪廓貼模良好，表面質(zhì)量較好。

圖13 成形后的Ti2AlNb合金多層結(jié)構(gòu)

成形后零件壁厚分布曲線如圖14所示。零件壁厚的主要減薄區(qū)域?yàn)橹绷⒔顝澢课恢g的區(qū)域，但此處壁厚分布仍在0.7 mm以上。從圖14中可以看到，零件的最大減薄率為25%左右，同模擬結(jié)果較為吻合。

圖14 四層結(jié)構(gòu)壁厚分布曲線

圖15所示為成形后的Ti2AlNb合金多層結(jié)構(gòu)剖開(kāi)照片，可見(jiàn)直立筋成形到位，無(wú)破裂，成形效果較好。

圖15 剖開(kāi)后的多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部特征

3 結(jié)論

1) 當(dāng)變形溫度為960 ℃，應(yīng)變速率為1×10?4s?1時(shí)，材料伸長(zhǎng)率可以達(dá)到最大值，為230%，表現(xiàn)出超塑性。

2) Ti-22Al-27Nb擴(kuò)散連接接頭的焊合率隨著溫度、保溫時(shí)間、保溫壓力的增加而增加，在(960 ℃，10 MPa，2 h) 和(960 ℃，15 MPa，2 h)條件下得到的接頭剪切強(qiáng)度超過(guò)300 MPa。

3) 在960 ℃，利用SPF/DB組合工藝可以成形出外觀質(zhì)量良好的Ti-22Al-27Nb合金中空四層結(jié)構(gòu)件，構(gòu)件蒙皮壁厚分布均勻，且直立筋厚度基本不發(fā)生變化。

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Superplastic forming/diffusion bonding of Ti-22Al-27Nb alloy hollow four-layer structure

LI Bao-yong1, 2, JIANG Shao-song1

(1. Harbin Institute of Technology, National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin 150001, China; 2. Beijing Hangxing Machine Manufacturing, Beijing 100013, China)

The hollow four-layer structure of Ti-22Al-27Nb alloy was fabricated by SPF/DB process. The characteristics and mechanism of Ti-22Al-27Nb alloy with respect to superplasticity and diffusion bonding were investigated. Tensile tests show that the optimal elongation of tensile specimens is 230% at the temperature of 960 ℃ and the strain rate of 1×10?4s?1. Effect of the bonding pressure, bonding temperature and bonding time to determine the microstructure and mechanical properties of diffusion bonding joints was investigated, and the optimum bonding parameters are (960 ℃, 10 MPa, 2 h). Through the finite element simulation, it could be found that the SPF/DB process of hollow four-layer structure is feasible. The hollow four-layer structure of Ti-22Al-27Nb alloy is manufactured, showing that the thickness distribution of the bonding area is uniform.

Ti-22Al-27Nb; diffusion bonding; superplastic forming; four-layer structure

Projects(51775135, 51675125) supported by the National Natural Science Foundation of China

2018-12-07;

2019-06-24

JIANG Shao-song; Tel: +86-13936690628; E-mail: jiangss600_2005@163.com

1004-0609(2020)-01-0103-09

TG301

A

10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-37479

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51775135; 51675125)

2018-12-07；

2019-06-24

蔣少松，副教授，博士；電話：13936690628；E-mail：jiangss600_2005@163.com

(編輯 王 超)