鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接四層結(jié)構(gòu)表面溝槽控制方法研究*

李保永 ，張鐵軍，張凱鋒，姚為，秦中環(huán)，劉 奇，劉 偉

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，哈爾濱150001；2.北京航星機(jī)器制造有限公司，北京100013）

近年來，鈦合金因其優(yōu)良的高溫性能、較高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐蝕性，在航空航天、化工、船舶領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用[1–4]。隨著航空、航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，飛行器高精度、輕量化、超聲速、大航程等技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)日益提高，對飛行器構(gòu)件制造精度要求愈來愈高、重量控制要求越來越嚴(yán)、研制周期要求越來越短，成本要求越來越低。超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）組合工藝作為一種精密塑性成形技術(shù)，具有近無余量、高效率和低成本等特點(diǎn)，所制造的零件具有設(shè)計(jì)自由度高、結(jié)構(gòu)重量輕、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，在飛行器機(jī)體構(gòu)件的制造方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景[5–6]。利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單層、雙層、三層和四層等輕質(zhì)復(fù)雜薄壁中空結(jié)構(gòu)的整體制備。其中四層結(jié)構(gòu)具備整體剛度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是飛行器翼面、舵面、鴨翼、腹鰭等產(chǎn)品的首選設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之一。

蒙皮表面溝槽缺陷是四層結(jié)構(gòu)的常見缺陷之一，是制備四層及其他中空多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品亟待解決的問題。杜立華等[7]以三層 SPF/DB 鈦合金空心桁架結(jié)構(gòu)為研究對象，通過平面應(yīng)變有限元模型，研究了空心結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對超塑成形過程應(yīng)力應(yīng)變分布的影響以及與表面溝槽產(chǎn)生的關(guān)系，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了特定的滿足溝槽控制要求的超塑成形工藝參數(shù)范圍。Cheng 等[8]通過有限元模擬方法分析了三層結(jié)構(gòu)表面溝槽的產(chǎn)生過程，從成形工藝和結(jié)構(gòu)上提出了抑制表面溝槽的方法。秦中環(huán)[9]進(jìn)行了帶塊體嵌件 TA15 鈦合金四層結(jié)構(gòu) SPF/DB的工藝過程和控制方法研究，制備了表面質(zhì)量良好的樣件。部分研究對4 層結(jié)構(gòu)蒙皮表面溝槽成因進(jìn)行了初步分析[10–11]，但鮮見有關(guān)不同因素對溝槽深淺影響的系統(tǒng)研究及有效控制溝槽缺陷的可行途徑探索。本文以典型SPF/DB 四層結(jié)構(gòu)為研究對象，通過有限元數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)相結(jié)合，研究鈦合金SPF/DB 四層結(jié)構(gòu)蒙皮表面溝槽控制方法。

試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用TA15 鈦合金的名義成分為Ti–6.5Al–1Mo–1V–2Zr，規(guī)格均為1mm，由寶鈦集團(tuán)生產(chǎn)。TA15鈦合金的化學(xué)成分見表1[12]。試驗(yàn)選用的模具材料為ZGCr25Ni20。

SPF/DB 四層結(jié)構(gòu)溝槽成因分析

經(jīng)分析，如圖1所示，認(rèn)為四層結(jié)構(gòu)表面溝槽形成原因?yàn)椋弘S著芯層成形所需內(nèi)壓P逐漸增大，而芯層與蒙皮之間的摩擦力f也隨之增大，當(dāng)P增大到一定值時(shí)，蒙皮即會失穩(wěn)形成溝槽。

為了驗(yàn)證上述四層結(jié)構(gòu)表面溝槽形成原因，同時(shí)，更直觀地了解表面溝槽形成過程，采用MSC.MRAC超塑成形模塊模擬了溝槽的形成過程。材料本構(gòu)方程為σ=K?m。其中，σ為超塑成形材料的流變應(yīng)力；?為成形材料的應(yīng)變速率；K為成形材料的材料常數(shù)；m為成形材料的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，受應(yīng)變速率影響。當(dāng)超塑性溫度T=920℃，應(yīng)變速率?=0.0005/s時(shí)，材料的超塑性最優(yōu)，此時(shí)K=989.5，m=0.57。定義材料參數(shù)時(shí)選用 Power Law 準(zhǔn)則，其中B=989.5，n=0.57 模具定義為剛體；芯層成形區(qū)、蒙皮定義為變形體，選擇殼單元；摩擦類型選擇雙線性庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2[12–14]，變形體厚度設(shè)為1mm，擴(kuò)散區(qū)寬度設(shè)為2mm。成形過程模擬結(jié)果見圖2，溝槽深度隨時(shí)間變化情況如圖3所示。0s為芯層（上方線條）與蒙皮（下方線條）相對位置；1168s時(shí)，芯層逐步變形接觸到蒙皮；2063s時(shí)，溝槽開始產(chǎn)生，之后逐漸加深；3739s時(shí)，溝槽最深達(dá)2.48mm，而后深度又逐漸變淺；4539s時(shí)，溝槽最終深度1.51mm。

通過數(shù)值模擬驗(yàn)證上述SPF/DB四層結(jié)構(gòu)表面溝槽形成原因，進(jìn)一步開展試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示，蒙皮表面形成的溝槽。

圖1 SPF/DB四層結(jié)構(gòu)表面溝槽形成示意圖Fig.1 Schematic diagram of groove formation on the surface of SPF /DB four-sheet structure

表1 TA15鈦合金名義化學(xué)成分Table1 Standard chemical composition of TA15 titanium alloy %

SPF/DB 四層結(jié)構(gòu)表面溝槽影響因素

對SPF/DB 四層結(jié)構(gòu)成形工藝進(jìn)行分析，給出了4個(gè)較為可能影響表面溝槽形成的因素，即應(yīng)變速率?、芯層間擴(kuò)散連接寬度b、芯層與蒙皮厚度比t、模具與蒙皮間摩擦系數(shù)u。為了確定各因素對表面溝槽的影響，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，軟件仍為MSC.MRAC，對比超塑成形結(jié)束時(shí)，四層蒙皮表面溝槽最深點(diǎn)的深度h。選用L9（34）正交表，因素、水平如表2所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果，如表3所示。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，4個(gè)可能影響表面溝槽的因素應(yīng)變速率?、擴(kuò)散連接寬度b、芯層與蒙皮厚度比t、模具與蒙皮間摩擦系數(shù)u中，影響最大的是芯層與蒙皮的厚度比，而且厚度比值越大，即芯層越厚蒙皮越薄，成形后蒙皮表面越易產(chǎn)生溝槽且溝槽越深；應(yīng)變速率、擴(kuò)散連接寬度、摩擦系數(shù)對表面溝槽形成影響較小，但是，選擇較慢的應(yīng)變速率、較窄的擴(kuò)散連接寬度以及較大的摩擦系數(shù)可在一定程度上減小蒙皮表面產(chǎn)生溝槽深度。

SPF/DB 四層結(jié)構(gòu)表面溝槽控制方法

圖2 蒙皮表面溝槽形成過程Fig.2 Forming process of skin surface groove

圖3 溝槽最深點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Time varying curve of the deepest point of groove

圖4 蒙皮表面形成的溝槽Fig.4 Grooves formed on surface of the panel

表2 因素水平表Table2 Factor level table

通過正交試驗(yàn)，分析了4個(gè)可能影響表面溝槽形成的因素，并得到了各因素對溝槽深度的影響趨勢。為減輕甚至避免溝槽：應(yīng)采用較小的厚度比值，即芯層盡量薄、蒙皮盡量厚；其次，盡量減小擴(kuò)散連接寬度，并適當(dāng)增大模具與蒙皮間的摩擦系數(shù)；成形時(shí)，控制芯層間氣壓增大的速率，以降低芯層的應(yīng)變速率。

但是，有時(shí)為了滿足強(qiáng)度、剛度等使用要求，仍不得不選用較大的板厚比值，如此則四層結(jié)構(gòu)表面極易產(chǎn)生溝槽。此時(shí)，推薦在芯層成形的同時(shí)，蒙皮內(nèi)表面亦施壓一定的背壓，破壞蒙皮失穩(wěn)起皺的條件，則可有效減輕甚至消除溝槽。圖5為在表2試驗(yàn)號2的基礎(chǔ)上，蒙皮內(nèi)側(cè)施加了0.2MPa 背壓后再次分析，蒙皮未產(chǎn)生溝槽。在物理試驗(yàn)中，芯層成形同時(shí)，在蒙皮內(nèi)側(cè)表面施壓了0.2MPa背壓，效果見圖6，表面未產(chǎn)生溝槽。

結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)驗(yàn)證了SPF/DB 四層結(jié)構(gòu)表面溝槽是因?yàn)樾緦映尚芜^程中與蒙皮摩擦使蒙皮失穩(wěn)起皺形成。

圖5 蒙皮施加0.2MPa背壓后未產(chǎn)生溝槽Fig.5 No groove after 0.2MPa back pressure applied to panel

圖6 物理試驗(yàn)蒙皮表面未產(chǎn)生溝槽Fig.6 No groove on actual test panel surface

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table3 Test scheme and results

（2）采用正交試驗(yàn)分析了4個(gè)影響蒙皮表面溝槽形成的可能因素，影響最大的是芯層與蒙皮的厚度比，應(yīng)變速率、擴(kuò)散連接寬度、摩擦系數(shù)對表面溝槽形成影響較小。選取較大的厚度比，減小擴(kuò)散連接寬度，增大摩擦系數(shù)，降低芯層應(yīng)變速率，即可減輕甚至避免SPF/DB 4 層結(jié)構(gòu)表面溝槽。

（3）為滿足設(shè)計(jì)對強(qiáng)度、剛度等使用要求，當(dāng)選用較小的板厚比時(shí)，在芯層成形的同時(shí)，蒙皮內(nèi)表面亦施壓一定的背壓，破壞蒙皮失穩(wěn)起皺的條件，則可有效減輕甚至消除溝槽。