Ti-6Al-4V薄板臨界拉深成形溫度研究

邵 威, 鄧沛然, 仇健桐, 楊 瑾

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院, 上海 201620)

鈦合金Ti-6Al-4V板材具有比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、船舶和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域[1-4].但Ti-6Al-4V板材成本高[5],室溫下屈強(qiáng)比大,難以加工且回彈嚴(yán)重,這使其使用和發(fā)展受到一定限制[3].

鈦合金板材拉深成形溫度主要集中在550～900 ℃[6-7].目前,對(duì)于不同溫度下Ti-6Al-4V薄板成形性能缺乏詳細(xì)研究.因此,有必要補(bǔ)充Ti-6Al-4V合金薄板在不同溫度下成形性研究,以期探尋出拉深成形臨界溫度來(lái)支持各種成形方案,同時(shí)減少生產(chǎn)能耗.此外,之前拉深研究工作多采用在模外加熱坯料然后轉(zhuǎn)移到模內(nèi)進(jìn)行拉深的方式,這使得坯料在開(kāi)始拉深前產(chǎn)生較大溫度變化,影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性.為提高準(zhǔn)確度,本研究采用自行設(shè)計(jì)模內(nèi)加熱坯料方式來(lái)進(jìn)行研究.

在25～500 ℃下,對(duì)Ti-6Al-4V薄板力學(xué)性能和成形性通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)和模內(nèi)加熱拉深成形試驗(yàn)進(jìn)行研究.使用掃描電子顯微鏡(SEM)分析拉伸試驗(yàn)中不同溫度下斷口微觀組織,計(jì)算成形件極限拉深系數(shù)來(lái)判斷拉深成形性能,測(cè)量拉深件硬度以及厚度分布來(lái)判斷成形件質(zhì)量.

1 試驗(yàn)工作

1.1 材料

研究選用0.8 mm厚高強(qiáng)熱軋Ti-6Al-4V合金薄板(中國(guó)寶雞鈦業(yè)).該材料為兩相合金,由α相和β相組成,主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),全文同)見(jiàn)表1,原始材料強(qiáng)化相β相占比約為9.5%[7].

表1 Ti-6Al-4V合金化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Ti-6Al-4V alloy %

1.2 單軸拉伸試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》制造拉伸試樣,拉伸試樣尺寸如圖1所示.由于所使用板料為熱軋板,組織為等軸組織,兩相分布均勻,各向異性大大低于冷軋板,因此本試驗(yàn)僅沿板料軋制方向使用線切割方式切割試樣.使用Gleeble 3800熱力模擬試驗(yàn)機(jī)在25、100、200、300、400和500 ℃下進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn),恒定應(yīng)變速率為4×10-3s-1,試驗(yàn)環(huán)境為真空.將樣品以2 ℃/s速率加熱至測(cè)試溫度后保溫1 min變形.失效后,將樣品用外置冷卻氣槍冷卻至室溫,平均冷卻速率為20 ℃/s.每次測(cè)試進(jìn)行3次以保證重復(fù)性.

1.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

拉伸試驗(yàn)結(jié)束后,迅速將斷口部分保留完整并 切割成合適大小樣片,清洗、烘干并保存[8].通過(guò)SEM研究不同溫度下Ti-6Al-4V合金拉伸失效樣件斷口形貌.

圖1 單軸拉伸試樣幾何形狀Fig.1 Geometry of uniaxial tension specimen

1.4 鈦合金拉深試驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出技術(shù)可行性,在25～500 ℃下進(jìn)行拉深試驗(yàn).試驗(yàn)在H1F60伺服壓力機(jī)上進(jìn)行.試驗(yàn)臺(tái)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì),可以在高溫下進(jìn)行拉深操作.H13模具鋼用于制造凹模、凸模和壓邊板.自主設(shè)計(jì)模內(nèi)加熱裝置,如圖2所示.采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備控制溫度和加熱坯料,通過(guò)冷卻塔水循環(huán)防止過(guò)熱,通過(guò)熱電偶監(jiān)測(cè)溫度.

圖2 熱成形模具示意圖Fig.2 Schematic diagram of warm forming mold

模內(nèi)加熱坯料可避免模外加熱后轉(zhuǎn)移坯料導(dǎo)致溫度下降且減少氧化程度.使用電火花線切割工藝加工圓形坯料,以獲得高精度和光潔度.根據(jù)模具尺寸,試驗(yàn)圓形坯料最小直徑選擇為40 mm.以溫度、壓邊力、沖壓速度和潤(rùn)滑條件為主要變量進(jìn)行試驗(yàn).以2 ℃/s速率加熱到所需溫度,保溫3 min后進(jìn)行拉深操作.每個(gè)尺寸向下拉深6個(gè)圓片.極限拉深系數(shù)計(jì)算公式為

mmin=(dmale+t)/Dmax

(1)

式中:mmin為極限拉深系數(shù);dmale為凸模直徑;t為板料厚度;Dmax為能夠成形的最大坯料直徑.極限拉深系數(shù)反映筒形件拉深最大可能變形程度,數(shù)值越小,材料拉深性能越好.對(duì)成形拉深件使用線切割工藝切割為對(duì)稱(chēng)兩半,并從中心朝向杯壁測(cè)量10個(gè)點(diǎn)厚度值,如圖3所示.

圖3 厚度測(cè)量點(diǎn)Fig.3 Thickness measurement points

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti-6Al-4V合金流動(dòng)行為

恒定應(yīng)變速率為4×10-3s-1,25～500 ℃ Ti-6Al-4V合金應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示.

圖4 Ti-6Al-4V試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of Ti-6Al-4V specimen

由圖可知不同溫度下應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有相同變化趨勢(shì).在開(kāi)始階段,隨應(yīng)變?cè)黾?流動(dòng)應(yīng)力迅速提高,在應(yīng)變達(dá)到一定大小后,流動(dòng)應(yīng)力增長(zhǎng)迅速放緩.當(dāng)流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值后,隨應(yīng)變?cè)黾?流動(dòng)應(yīng)力迅速減小直至試樣斷裂.各溫度下Ti-6Al-4V薄板平均屈服強(qiáng)度和平均抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表2.在應(yīng)變速率一定條件下,隨溫度升高,材料平均抗拉強(qiáng)度降低,從25 ℃時(shí)1 288.22 MPa下降到500 ℃時(shí)699.12 MPa.

不同溫度下試樣延伸率變化如圖5所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn),在200 ℃以下時(shí)伸長(zhǎng)率變化很小.300 ℃時(shí),伸長(zhǎng)率從25 ℃時(shí)16.67%提高到20.05%,說(shuō)明在25～300 ℃時(shí),材料對(duì)溫度并不敏感,這種現(xiàn)象與位錯(cuò)流動(dòng)性有關(guān),較低溫度下第二相粒子對(duì)位錯(cuò)阻礙作用大,導(dǎo)致較小延伸率和較大流動(dòng)應(yīng)力.

表2 Ti-6Al-4V薄板材料性能Table 2 Material properties of Ti-6Al-4V sheet

圖5 Ti-6Al-4V試樣延伸性Fig.5 Extensibility of Ti-6Al-4V specimen

2.2 斷口

25和300 ℃時(shí)拉伸件斷口圖如圖6所示.由圖6(a)可見(jiàn),25 ℃時(shí),在較低放大率斷口圖像中,斷裂邊緣整體看起來(lái)較為平直;由圖6(b)可見(jiàn),25 ℃斷口在更高放大率下出現(xiàn)不同尺寸和形狀的淺層凹坑,這是由于β相粒子與α相脫離所致,塑性變形過(guò)程中,位錯(cuò)在β相粒子周?chē)e嚴(yán)重,材料難以流動(dòng),宏觀斷口表現(xiàn)出脆性斷裂特征;由圖6(c)可見(jiàn),300 ℃較低放大率斷口圖像中斷口截面較25 ℃時(shí)有縮小趨勢(shì);由圖6(d)可見(jiàn),較高放大率下300 ℃斷口的凹坑尺寸增大,這是由于隨著溫度升高,位錯(cuò)活動(dòng)能力增強(qiáng),在β相周?chē)e有所減弱并能夠較順利繞過(guò)β相,表現(xiàn)出一定韌性斷裂特征,宏觀斷口開(kāi)始出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象.

2.3 鈦合金拉深

2.3.1 溫度對(duì)拉深成形的影響

Badr[3]研究指出在室溫下不能對(duì)Ti-6Al-4V進(jìn)行拉深成形.因此,試驗(yàn)溫度設(shè)定從100 ℃開(kāi)始.設(shè)定沖壓工藝參數(shù):壓邊力為10 kN;沖壓速度為50%(22 mm/s).試驗(yàn)使用一般機(jī)械潤(rùn)滑油潤(rùn)滑.

圖6 不同溫度斷口圖Fig.6 Fracture diagram at different temperature

對(duì)直徑為40 mm坯料進(jìn)行拉深試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果顯示拉深件在100、150、200和250 ℃時(shí)均發(fā)生嚴(yán)重破裂,說(shuō)明在此溫度范圍內(nèi),Ti-6Al-4V薄板對(duì)溫度并不敏感.當(dāng)溫度升至300 ℃時(shí),沖壓6件坯料中有5件拉深成形,典型拉深樣件如圖7所示.當(dāng)溫度為350、400、450和500 ℃時(shí),所有坯料均可成功成形.加大坯料直徑尺寸,每次增加1.25 mm,探尋300 ℃下Ti-6Al-4V薄板極限拉深系數(shù).試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)坯料直徑為41.25 mm時(shí),6個(gè)拉深件中3個(gè)成功成形,3個(gè)出現(xiàn)裂紋;坯料直徑為42.5 mm時(shí),6個(gè)拉深件都出現(xiàn)裂紋;坯料直徑尺寸為43.75 mm時(shí),6個(gè)拉深件都發(fā)生破裂.因此,直徑41.25 mm是Ti-6Al-4V圓片在300 ℃下的極限拉深尺寸.根據(jù)式(1)求得此條件下Ti-6Al-4V薄板極限拉深系數(shù)為0.656,顯示出較差拉深成形性.這主要是因?yàn)門(mén)i-6Al-4V第二相占比較高,強(qiáng)度較高較硬,較低溫度下位錯(cuò)很難切過(guò)或繞過(guò)堅(jiān)硬的第二相,使得Ti-6Al-4V塑性很差.

圖7 升溫條件下拉深件Fig.7 Drawing parts under heating process

測(cè)定350、400、450和500 ℃時(shí)Ti-6Al-4V薄板極限拉深系數(shù),試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出,在其他沖壓工藝參數(shù)不變情況下,隨著溫度升高,Ti-6Al-4V薄板極限拉深系數(shù)減小,即拉深極限尺寸增大.但在此溫度范圍內(nèi)極限拉深系數(shù)變化不大,即此時(shí)溫度對(duì)拉深性能提升十分有限.綜上所述,厚0.8 mm、直徑40 mm Ti-6Al-4V坯料、在壓邊力為10 kN,沖壓速度為50%條件下,需要在溫度不低于300 ℃才可以成功拉深成形;300～500 ℃內(nèi)所能拉深成形的坯料尺寸范圍很小.

圖8 不同溫度極限拉深系數(shù)Fig.8 Limit drawing coefficient at different temperatures

2.3.2 壓邊力對(duì)拉深成形的影響

在拉深工藝中,壓邊力大小對(duì)拉深成形具有顯著影響.試驗(yàn)設(shè)定不同壓邊力以探尋直徑40 mm坯料成形情況.試驗(yàn)設(shè)定壓邊力分別為5、10和20 kN,沖壓速度為50%,采用一般機(jī)械潤(rùn)滑油潤(rùn)滑.100～400 ℃不同壓邊力條件下拉深成形件個(gè)數(shù)見(jiàn)表3.由表可見(jiàn),300 ℃以下不存在拉深成形件,而300 ℃以上,在不同壓邊力下都存在拉深成形件.可見(jiàn)改變壓邊力并不能使Ti-6Al-4V薄板在300 ℃以下拉深成形.在300 ℃以上,壓邊力為10 kN時(shí),所有坯料都拉深成形.壓邊力過(guò)小會(huì)使得拉深件發(fā)生起皺,壓邊力為5 kN時(shí),300～400 ℃下都出現(xiàn)起皺拉深件.壓邊力過(guò)大會(huì)使坯料凸緣部分產(chǎn)生斷裂而不能拉深成形,試驗(yàn)中壓邊力為20 kN時(shí),300～400 ℃下均出現(xiàn)坯料破裂現(xiàn)象.因此,10 kN為合適壓邊力.

表3 不同壓邊力下拉深成形件數(shù)Table 3 Numbers of drawing forming parts under different blank holder forces

2.3.3 沖壓速度對(duì)拉深成形的影響

在拉深工藝中,沖壓速度大小會(huì)影響到材料塑性流動(dòng),從而影響拉深件成形.10%～100%為伺服壓力機(jī)可調(diào)節(jié)速度范圍,因此,設(shè)定不同沖壓速度為10%(4 mm/s)、30%(13 mm/s)、50%(22 mm/s)、80%(35 mm/s)和100%(44 mm/s),壓邊力設(shè)置為10 kN,采用一般機(jī)械潤(rùn)滑油潤(rùn)滑.沖壓速度為50%,試驗(yàn)組結(jié)果見(jiàn)表3.其他沖壓速度下各溫度拉深成形件數(shù)見(jiàn)表4.

由表3和表4可知,300 ℃以下,改變沖壓速度不能成功拉深成形圓筒件,說(shuō)明300 ℃以下,沖壓速度對(duì)Ti-6Al-4V薄板成形影響不大.在300～400 ℃,沖壓速度為10%時(shí)所有坯料均可成形.隨著沖壓速度增大,拉深成形情況變壞,300 ℃時(shí),沖壓速度為30%和50%拉伸件出現(xiàn)裂紋.沖壓速度為80%和100%時(shí),都沒(méi)有完美拉深成形筒形件,速度為80%時(shí),所有拉深件都出現(xiàn)裂紋,當(dāng)速度達(dá)到100%時(shí),大部分坯料出現(xiàn)局部破裂,如圖9所示.因此判斷最佳沖壓速度為10%.

表4 不同沖壓速度下拉深成形件數(shù)Table 4 Numbers of drawing forming parts under different stamping speed

圖9 高速?zèng)_壓下典型拉深件Fig.9 Typical drawing parts under high speed stamping

2.3.4 潤(rùn)滑條件對(duì)拉深成形的影響

在拉深工藝中,潤(rùn)滑條件影響著模具與坯料之間接觸面應(yīng)力,從而影響拉深成形.設(shè)定不同潤(rùn)滑條件:1) 無(wú)潤(rùn)滑;2) 機(jī)械潤(rùn)滑油;3) 高溫潤(rùn)滑脂.設(shè)置壓邊力為10 kN,沖壓速度為10%.其中,不同溫度下使用機(jī)械潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,其他潤(rùn)滑條件下各溫度拉深件成形件數(shù)見(jiàn)表5.

表5 不同潤(rùn)滑條件下拉深成形件數(shù)Table 5 Numbers of drawing forming parts under different lubrication conditions

由表4和表5可知,溫度在300 ℃以下時(shí),改變潤(rùn)滑條件也無(wú)法成形圓筒件,在此溫度范圍內(nèi)拉深坯料都發(fā)生嚴(yán)重破裂,此時(shí)潤(rùn)滑對(duì)Ti-6Al-4V薄板成形并無(wú)影響.在300～400 ℃時(shí),采取2)和3)潤(rùn)滑條件的坯料均成功拉深成形,而未進(jìn)行潤(rùn)滑坯料約一半出現(xiàn)破裂情況.可見(jiàn),在300 ℃以上,有無(wú)潤(rùn)滑對(duì)成形有較大影響.無(wú)潤(rùn)滑破裂拉深件和有潤(rùn)滑拉深件如圖10所示.

圖10 不同潤(rùn)滑條件拉深件Fig.10 Drawing parts under different lubrication conditions

2.4 成形件質(zhì)量評(píng)估

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)筒形件最低成形溫度為300 ℃,此溫度下對(duì)成形筒形件質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn).成形件表面并沒(méi)有發(fā)生明顯氧化現(xiàn)象,也沒(méi)有明顯劃痕.初始材料平均HV10維氏硬度為368.8,300 ℃下材料平均HV10硬度為365.2,可見(jiàn)硬度并無(wú)太大變化.

厚度分布是衡量拉深成形件質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn),一般認(rèn)為最大減薄率超過(guò)30%即判斷零件失效[9].對(duì)成形件進(jìn)行厚度測(cè)量以進(jìn)一步評(píng)估成形質(zhì)量,結(jié)果如圖11所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn),成形件底部圓角區(qū)域板料厚度有所減薄,此部分受拉、壓應(yīng)力共同作用,是最容易發(fā)生拉裂部位,稱(chēng)作危險(xiǎn)區(qū)域.300 ℃時(shí)最大減薄率為7.5%,遠(yuǎn)小于30%,成形件質(zhì)量合格.由圖11還可以看出,隨著溫度升高,最大減薄率減小,400 ℃時(shí)拉深件最大減薄率只有2.5%,成形質(zhì)量?jī)?yōu)于300 ℃拉深件.

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)和拉深成形試驗(yàn),研究25～500 ℃下高強(qiáng)Ti-6Al-4V薄板成形性.得出以下結(jié)論:

圖11 不同溫度下坯料拉深成形件厚度分布Fig.11 Thickness distribution of drawing forming parts at different temperatures

1) 25～300 ℃時(shí),Ti-6Al-4V薄板成形性很差,拉伸樣件沒(méi)有出現(xiàn)明顯頸縮現(xiàn)象;

2) 在300 ℃時(shí),材料延伸率為20.05%,有明顯增長(zhǎng),300～500 ℃拉伸件都出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象;

3) 300 ℃以下,Ti-6Al-4V薄板通過(guò)改變壓邊力、沖壓速度和潤(rùn)滑條件均無(wú)法成功拉深成形,300 ℃時(shí),可以拉深出合格筒形件,極限拉深系數(shù)為0.656,300 ℃是可進(jìn)行成功拉深成形的臨界溫度.