Ti₂AlNb合金板材的成形性能研究

李曉艷 司松社 陳明和

摘要：本文通過板材不同溫度下的本構關系，板材在不同溫度下的成形極限，板材在設定溫度的不同應變速率條件下的成形性能參數的試驗研究，評價Ti2AlNb合金板材的成形性能，為該材料不同鈑金成形方式提供基礎數據參考。

關鍵詞：Ti2AlNb;O相;板材;成形

0? 引言

Ti2AlNb合金是以有序正交結構的O相為主相的金屬間化合物合金，具有較高的高溫強度和抗蠕變性能，與鎳基高溫合金相比其密度較低，為一種新材料，被各國學者認定為最具潛力的航空航天用輕質高溫結構材料。

由于該材料鑄態(tài)組織粗大，室溫塑性低，高溫變形抗力大，對變形條件要求苛刻等原因，大大提高了其成形難度，使得對該材料的廣泛應用存在很大挑戰(zhàn)。目前專門針對Ti2AlNb合金板材成形方面的研究很少，而該材料的板材在航空發(fā)動機上的應用前景廣泛，因此本文對該合金的板材的成形性能進行初步研究，以便于后續(xù)建立材料有限元模型，對成形零件進行有限元分析。

1? 金屬板料成形試驗原理

1.1 板料極限拉深比試驗（LDR）試驗原理

板料的極限拉深比試驗（LDR）是衡量板料拉深性能，國內又叫壓延性能的重要試驗。直接確定了拉深模具設計中的拉深系數。

1.2 擴孔試驗原理

擴孔試驗包括沖制試樣圓孔和利用錐頭凸模壓入沖制圓孔兩個步驟，即沖孔完畢后，錐頭凸模壓入沖制圓孔，直至圓孔在凸模作用下孔緣發(fā)生開裂，停止試驗。

1.3 杯突試驗原理

試驗系用端部為球形的沖頭，將夾緊的試樣壓入凹模內，直至出現穿透裂縫為止，所測最深的杯突深度即為試驗結果。

1.4 彎曲試驗原理

本試驗采用系列具有不同底部弧面半徑的凸模（或不同厚度的墊模），將試樣按照規(guī)定的彎曲角成形后，檢查其變形區(qū)外表面，將該表面不產生裂紋或顯著凹陷時的最小相對彎曲半徑作為金屬薄板的彎曲成形性能指標。

1.5 翻邊成形極限試驗原理

本試驗采用系列具有不同底部半徑的凸模將預先開孔的試樣進行翻邊，以孔緣發(fā)生開裂時的最大翻邊直徑為極限翻邊系數。

2? 金屬板料成形研究成果

2.1 板料在不同溫度下的基本成形性能參數

2.1.1 工作內容

對Ti2AlNb板料進行了不同溫度下的單向拉伸試驗，獲得材料不同溫度下的應變硬化指數n及厚向各向異性系數r，應變速率為0.01s-1。

2.1.2 階段成果

應變速率為0.01s-1，不同試驗溫度成形性能參數如表1所示。

2.1.3 小結

通過試驗研究了Ti2AlNb板料在應變速率0.01S-1條件下不同溫度的應變硬化指數n，厚向異性系數r以及均勻延伸率δ，試驗結果表明750℃以上，材料的延伸率得到較大提高，塑性得以改善。材料應變硬化指數n及厚向異性系數r均隨溫度升高而降低。

2.2 板料在不同溫度下的成形極限

2.2.1 工作內容

通過試驗研究了溫度點為600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃下材料的翻邊成形極限、擴孔成形極限、杯突成形極限、拉深成形極限、彎曲成形極限等。給出材料在不同溫度下的不同模擬成形性能的成形極限參數。

2.2.2 階段成果

①板料不同溫度下的翻邊成形極限。針對板料翻邊系數試驗可得出材料在600℃下的翻邊極限很小，僅為1.1，幾乎無法翻邊，而在900℃時則達到了2.0塑性得到很大提高。

②板料不同溫度下的擴孔成形極限。通過試驗可得出材料在不同溫度下的擴孔試驗結果顯示溫度從600℃升至900℃時，材料的平均擴孔率分別為0.122、0.211、0.217、0.378、0.524、0.684、0.820。溫度750℃以上時迅速得到提高，因此擴孔溫度應該控制在750℃以上。

③板料在不同溫度下的杯突成形極限。通過不同溫度下的杯突試驗可得出材料在600℃的杯突僅為7.21很小，與室溫下的成形極限差別較小。而在900℃時則達到了17.85提高了兩倍，塑性得到很大提高。

④板料在不同溫度下拉深成形極限。通過試驗可得出材料在不同溫度下的拉深試驗結果顯示溫度在低于750℃時，材料的平均極限拉深比低于1.6幾乎無法拉深，而溫度超過800℃后明顯提高，850℃達到了2.0，與鋁合金的室溫拉深比相近。因此此材料的拉深成形應在溫度850℃以上比較合適。

⑤板料在不同溫度下的彎曲成形極限。由彎曲試驗可得出，材料的最小彎曲半徑隨著溫度的升高逐漸減小，在900℃時達到了0.3mm，達到了大部分鈑金零件的最小彎曲半徑要求。

2.2.3 小結

通過試驗研究了不同溫度下Ti2AlNb板料的翻邊、擴孔、杯突、拉深、彎曲等模擬成形性能的成形極限參數。結果表明Ti2AlNb板料在750℃以下時各成形極限均較差，800℃以上明顯轉好，因此該材料的塑性成形溫度不宜低于800℃。

2.3 板料在設定溫度的不同應變速率條件下的基本成形性能參數

2.3.1 工作內容

研究了板料在設定溫度的不同應變速率條件下的基本成形性能參數。設定溫度點為600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃，每個溫度點三個應變速率，每個試樣點3個試樣。

2.3.2 階段成果

材料在不同溫度下的應變硬化指數n。

材料在不同溫度和應變速率下的厚向異性系數r。

材料在不同溫度和應變速率下的延伸率δ。

2.3.3 小結

試驗結果表明材料成形溫度和應變速率對塑性均有明顯影響，應變速率越大，塑性越差;溫度越高，塑性越好。一般在溫度800℃以上，應變速率10-3s-1條件成形較好。

3? 研究結論

通過系統的拉伸試驗，模擬成形性能試驗等，針對Ti2AlNb合金板材的成形性能進行了初步研究，結果表明Ti2AlNb合金板料在800℃以下性能較差，延伸率不到10%，超過850℃后塑性明顯提高，所以得出Ti2AlNb合金板材成形溫度應選在850～950℃之間。

參考文獻：

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