鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形精度控制

薛 杰，李保永，秦中環(huán)，劉玉平，王占奇，范江玲

（北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013）

近年來(lái)，伴隨遠(yuǎn)程高速飛行器研制及發(fā)展需要，鈦及鈦合金鈑金件在航空航天領(lǐng)域的用量及應(yīng)用范圍呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。其中，鈦合金薄壁、復(fù)雜、整體、精密鈑金件制造技術(shù)已經(jīng)成為飛行器用構(gòu)件制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和先進(jìn)制造技術(shù)的重要研究方向之一，該類零件型面精度高、重量輕、可靠性高，在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛[1-3]。然而，鈦合金鈑金件對(duì)溫度、壓力等成形條件要求較高，通常采用熱成形機(jī)進(jìn)行成形，使用成本很高。為了降低該類鈦合金熱成形件的制造成本，避免因成本過(guò)高阻礙該類零件的更廣泛應(yīng)用，有必要針對(duì)鈦合金鈑金件開(kāi)展低成本熱壓成形的工藝研究。

脈沖電流輔助成形技術(shù)利用了低壓高強(qiáng)度脈沖電流作用于合金時(shí)產(chǎn)生焦耳效應(yīng)和電塑性效應(yīng)，從而使坯料塑性顯著提高、屈服強(qiáng)度迅速下降、破裂傾向減小[4-8]。該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、熱損失少、效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、被加工材料氧化較小等特點(diǎn)。Mori 等[9–10]將電流加熱技術(shù)用于高強(qiáng)鋼板的溫?zé)岢尚?，電流產(chǎn)生焦耳熱，迅速升溫后立刻進(jìn)行彎曲成形，整個(gè)過(guò)程僅花費(fèi)了約0.2s，有效減少了回彈，提高了材料的成形性。Yanagimoto 等[11]設(shè)計(jì)了一套連續(xù)電流加熱成形系統(tǒng)，用于板料的軋制和塑性成形。易卓勛等[12]在Al–Li 合金成形中采用脈沖電流輔助熱壓成形技術(shù)，成形的零件尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求，且表面質(zhì)量良好，無(wú)裂紋、劃傷等缺陷。周強(qiáng)等[13]采用脈沖電流對(duì)TC4 鈦合金彎曲，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有效電流為38.67A/mm2時(shí)，回彈角減小較大，彎曲性能也有所提高。

此外，運(yùn)用該技術(shù)在粉末冶金、熱處理工藝等方面也進(jìn)行了相關(guān)研究[14-16]。脈沖電流產(chǎn)生焦耳熱作為一種加熱方式雖已經(jīng)得到廣泛的研究和應(yīng)用，但脈沖電流輔助塑性成形工藝的研究仍處于起步階段。因此，本文進(jìn)行鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形工藝的可行性研究，探索成形工藝參數(shù)對(duì)脈沖電流輔助熱壓成形工藝中零件尺寸精度和質(zhì)量控制、成形前后鈦合金微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為脈沖電流輔助熱壓成形技術(shù)在鈦合金薄壁件上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的是TC1 鈦合金，化學(xué)成分如表1 所示，TC1 鈦合金是一種低強(qiáng)度、高塑性近α 型鈦合金。板材微觀組織如圖1 所示，顯微組織細(xì)小、均勻，相組成為α相和少量的β 相。根據(jù)零件尺寸，鈦合金鈑金件坯料尺寸為1.5mm×65mm×800mm，試驗(yàn)前用酒精將坯料表面清理干凈并涂覆石墨水劑，石墨起潤(rùn)滑作用，同時(shí)增加紅外測(cè)溫儀測(cè)溫準(zhǔn)確度。

表1 TC1鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of TC1 titanium alloy %

圖1 TC1板材微觀組織Fig.1 Microstructure of TC1 sheet

1.2 試驗(yàn)原理

在研究鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形工藝中，電流密度是關(guān)鍵的工藝參數(shù)，鈦合金板坯通過(guò)低電壓大電流自阻產(chǎn)熱，當(dāng)最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度保持不變，該穩(wěn)定溫度與加熱電流密度有關(guān)，電流密度越高，相應(yīng)輸入的電流功率越大，鈦合金板坯可以被加熱到的溫度越高。

根據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)電流產(chǎn)生熱量等于板坯內(nèi)能增量與散失熱量之和，其關(guān)系式[5,17–18]為

式中，QJ為電流所產(chǎn)生的焦耳熱；QS為板坯內(nèi)能增量；QCond為板坯與電極間熱傳導(dǎo)；QConv為板坯與外部環(huán)境熱對(duì)流；QRad為板坯對(duì)外部環(huán)境熱輻射。

在加熱初始階段，板坯向外界散發(fā)熱量很小，若忽略這部分能量，則電流所產(chǎn)生焦耳熱與板坯內(nèi)能增量大致相等，即

其中，

式中：t 為升溫時(shí)間；T 為板坯溫度；T0為環(huán)境溫度；c 為板材的比熱容；Ip為脈沖峰值電流；D 為脈沖電流占空比；ρ阻為板坯電阻率；ρ密為板坯密度；L 為板材的長(zhǎng)度；b 為板材的寬度；δ 為板材的厚度。

可得出，鈦合金板坯升溫速率表達(dá)式為：

由式（1）～（6）可知，板坯加熱時(shí)的升溫速度與通過(guò)板坯的電流密度，即（脈沖峰值電流×脈沖電流占空比再÷板材的橫截面積）的平方成正比，即電流密度高時(shí)，板坯加熱速度較快，因此，可以通過(guò)控制電源的輸出電流來(lái)控制板坯的加熱速度。

1.3 試驗(yàn)裝置與步驟

脈沖電流輔助熱壓成形模具是在原有熱成形模具的基礎(chǔ)上改造的，增加了電極、隔熱片和絕緣層等結(jié)構(gòu)。采用15V/10000A 高效安全電源，輸出方波直流脈沖，其電流占空比為20%，對(duì)鈦合金板坯進(jìn)行加熱，下電極與模座之間采用石棉橡膠板和云母板進(jìn)行絕緣。夾持電極及導(dǎo)線采用低電阻率的紫銅材料，但由于其較高的熱傳導(dǎo)率，通電加熱時(shí)在板材與電極之間安裝高電阻、低熱傳導(dǎo)率的304 不銹鋼隔熱片，用于阻止熱量從板坯向紫銅電極傳導(dǎo)，從而保證板坯溫度均勻性。

成形過(guò)程為首先用酒精將坯料表面清理干凈并涂覆石墨水劑，然后將板坯置于隔熱片與電極之間，利用鐵夾機(jī)械力將板坯夾緊，保持板坯與電極接觸良好。高效安全電源對(duì)板坯加載低電壓大電流，采用紅外感應(yīng)測(cè)溫儀測(cè)量板坯溫度。當(dāng)成形溫度達(dá)到700℃后，關(guān)閉電源，釋放鐵夾，迅速壓形，成形出鈦合金鈑金件，試驗(yàn)裝置如圖2 所示。

采用法國(guó)ACB 熱成形機(jī)成形，如圖3 所示。首先，將熱壓成形模具裝在熱成形機(jī)上下平臺(tái)上；接著，關(guān)閉設(shè)備艙門(mén)，加熱設(shè)備和模具，待模具溫度升到零件成形溫度700℃時(shí)，打開(kāi)艙門(mén)，將零件放入模具中保溫一段時(shí)間，再使上平臺(tái)下移，使模具合模，并保溫一段時(shí)間；然后，打開(kāi)艙門(mén)，并驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)上移，模具凸凹模分開(kāi)，取出零件，空冷；最后，關(guān)閉艙門(mén)。

在成形的U 型零件底部正中間附近的圓角處取金相試樣，觀測(cè)其橫截面中心的顯微組織。在底部正中間沿零件長(zhǎng)度方向取室溫拉伸試樣，其具體尺寸如圖4所示。金相試樣腐蝕劑由HF、HNO3、H2O 按體積比為1∶3∶10 混合而成，拉伸性能測(cè)試參照 GB/T 228.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)，在 Ⅰnstron3369 力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

圖2 TC1鈦合金脈沖電流輔助熱壓成形裝置Fig.2 Device of pulse current assisted hot pressing for TC1 titanium alloy

2 結(jié)果與討論

2.1 缺陷分析與解決

鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形主要缺陷是U 型截面底部圓角產(chǎn)生裂紋，其主要原因是鈦合金鈑金件在成形過(guò)程中，熱量散失較大，在最終合模時(shí)，其溫度過(guò)低，超過(guò)其所在溫度的成形極限，導(dǎo)致U 型截面底部圓角開(kāi)裂。

如圖5 所示，1#試驗(yàn)件U 型截面底部圓角產(chǎn)生長(zhǎng)裂紋，成形1#試驗(yàn)件時(shí)的電流密度為8.3A/mm2。將成形時(shí)的電流密度增加到9.2A/mm2，成形得到2#試驗(yàn)件，2#試驗(yàn)件表面僅產(chǎn)生了微裂紋。1#試驗(yàn)件和2#試驗(yàn)件的溫度測(cè)量結(jié)果如圖6 所示，可以看出，由于鈦合金鈑金件兩端被電極夾持散熱較快，兩端溫度低于中部溫度。

因此，通過(guò)調(diào)整電流密度使鈦合金鈑金件整體成形溫度提高以補(bǔ)償在成形過(guò)程中的熱量損失，可以提高最終合模時(shí)的成形溫度，增加鈦合金鈑金件成形極限，進(jìn)而減輕或避免U 型截面底部圓角產(chǎn)生裂紋趨勢(shì)。但是，電流密度也不能過(guò)大，因?yàn)殡娏髅芏冗^(guò)大會(huì)使零件局部受熱過(guò)大、晶粒迅速長(zhǎng)大、組織惡化、表面氧化嚴(yán)重甚至使零件直接熔斷。

圖3 ACB熱成形機(jī)設(shè)備Fig.3 Hot forming machine of ACB

圖4 室溫拉伸試樣尺寸圖Fig.4 Drawing of tensile specimen size at room temperature

對(duì)2#試驗(yàn)件的成形工藝進(jìn)一步改進(jìn)，合模速度由10mm/s 提高至15mm/s，得到3#試驗(yàn)件。從圖5 可以看出，3#試驗(yàn)件表面沒(méi)有產(chǎn)生任何缺陷，成形效果良好，這是因?yàn)樘岣吆夏Ｋ俣瓤梢詼p少最終合模時(shí)的熱量損耗，使鈦合金鈑金件保持在良好的成形溫度區(qū)間。但是，合模速度不能過(guò)快，否則鈦合金鈑金件來(lái)不及發(fā)生彎曲變形而直接被切斷。圖5 中1#=8.3A/mm2、v =10mm/s； 2#=9.2A/mm2、v =10mm/s；3#=9.2A/mm2、v =15mm/s。 其中指電流密度；v 指成合模速度。

從表2 中可以看出，在脈沖電流輔助熱壓成形過(guò)程中，電流密度和合模速度對(duì)鈦合金鈑金件U 型截面底部圓角裂紋缺陷的產(chǎn)生有著重要的影響。因此，在脈沖電流輔助熱壓成形過(guò)程中要選擇電流密度和合模速度合理匹配以避免開(kāi)裂缺陷產(chǎn)生。

2.2 尺寸精度控制

如圖7 所示，鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形件主要要求為U 型開(kāi)口，尺寸為（30±0.2）mm，選擇3個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)脈沖電流輔助熱壓成形后的鈦合金鈑金件開(kāi)口尺寸進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)鈦合金鈑金件成形保壓10s，壓力分別為5t、10t、15t（模具不預(yù)熱）時(shí)，不同成形壓力對(duì)成形精度的影響如圖8 所示?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)增大成形壓力可以提高鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形的成形精度。

圖5 鈦合金鈑金件成形缺陷Fig.5 Forming defects of different titanium alloy sheet metal parts

表2 各工藝參數(shù)對(duì)缺陷產(chǎn)生的影響Table 2 Effects of process parameters on generation of defects

圖6 不同電流密度溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement results of temperature fields with different current densities

圖7 鈦合金鈑金件開(kāi)口尺寸測(cè)量位置示意圖（mm）Fig.7 Diagram of measuring position for opening size of titanium alloy sheet metal

圖8 不同成形壓力對(duì)成形精度的影響Fig.8 Influence of different forming pressures on forming accuracy

當(dāng)鈦合金鈑金件成形壓力10t，保壓分別為5s、10s、15s（模具不預(yù)熱）時(shí)，不同保壓時(shí)間對(duì)成形精度的影響如圖9 所示?？梢钥闯觯谝欢ǚ秶鷥?nèi)增加保壓時(shí)間可以提高鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形的成形精度。但是，隨著時(shí)間的推移，合模后鈦合金鈑金件的熱量迅速散失，過(guò)長(zhǎng)增加保壓時(shí)間對(duì)鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形精度將不會(huì)有更大影響。

當(dāng)鈦合金鈑金件成形保壓10s、壓力10t，模具預(yù)熱分別為20℃（不預(yù)熱）、100℃、200℃時(shí)，不同模具預(yù)熱溫度對(duì)成形精度的影響如圖10 所示。可以看出，提高模具預(yù)熱溫度可以提高鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形的成形精度。但是，從成本等各方面考慮，需要選擇合理的模具預(yù)熱溫度。

各工藝參數(shù)對(duì)鈦合金熱成形零件尺寸精度的影響如表3 所示，可以看出，保壓時(shí)間、壓力大小、模具預(yù)熱溫度對(duì)鈦合金熱成形零件尺寸精度都有較大影響。因此，要選擇合理的鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形工藝參數(shù)。

2.3 組織及性能分析

為了研究脈沖電流輔助熱壓成形與熱成形機(jī)成形后零件組織和性能的區(qū)別，則選取與3#試驗(yàn)件其他成形參數(shù)相同的工藝條件（除了電流密度外）成形，如圖11 所示，在鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形和熱成形機(jī)成形后，α 相晶粒有所長(zhǎng)大，但仍為較細(xì)的均勻等軸組織，并且板材鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形要比熱成形機(jī)成形更為細(xì)小。

這是因?yàn)橄噍^于熱成形機(jī)成形，脈沖電流可以使鈦合金板料在極短時(shí)間獲得足夠能量，使原子擴(kuò)散加速同時(shí)定向運(yùn)動(dòng)的電子形成“電子風(fēng)”促進(jìn)位錯(cuò)移動(dòng)[5,18]，使再結(jié)晶速率和再結(jié)晶形核率均較熱成形機(jī)成形的高；另外，在隨后的長(zhǎng)大過(guò)程中，由于冷速過(guò)快，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，最終使零件晶粒尺寸比熱成形機(jī)成形的細(xì)小。

圖12 為成形前后鈦合金板材力學(xué)性能圖，可以看出，鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形后板材的抗拉強(qiáng)度下降較小，而熱成形機(jī)成形后板材的抗拉強(qiáng)度下降較大，抗拉強(qiáng)度下降約為原始板材的6%。但是，鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形和熱成形機(jī)成形后，板材的延伸率與原始板材相比相差不大。

3 結(jié)論

（1）脈沖電流密度和合模速度的升高可補(bǔ)償成形過(guò)程的熱量損失，使鈦合金鈑金件保持在良好的成形溫度區(qū)間，進(jìn)而增加其成形極限。當(dāng)脈沖電流密度達(dá)到9.2A/mm2時(shí)，合模速度為15mm/s，其表面質(zhì)量較好、無(wú)裂紋。

圖9 不同保壓時(shí)間對(duì)成形精度的影響Fig.9 Influence of different holding time on forming accuracy

圖10 不同模具預(yù)熱溫度對(duì)成形精度的影響Fig.10 Influence of preheating temperature of different dies on forming accuracy

表3 各工藝參數(shù)對(duì)零件尺寸精度的影響Table 3 Effects of process parameters on dimensional accuracy of parts

圖11 成形前后鈦合金板材組織形貌Fig.11 Microstructure and morphology of titanium alloy sheet before and after forming

圖12 成形前后板材力學(xué)性能Fig.12 Mechanical properties of sheet metal before and after forming

（2）成形壓力的增大、保壓時(shí)間的延長(zhǎng)、模具預(yù)熱溫度的升高均可提高鈦合金鈑金件成形精度。當(dāng)成形壓力10t、保壓時(shí)間10s，零件的尺寸精度即可達(dá)到±0.2mm。

（3）脈沖電流輔助熱壓成形后零件的晶粒尺寸比熱成形機(jī)成形的細(xì)小，且力學(xué)性能也較好。