鈦合金薄壁件熱塑性成形工藝研究進(jìn)展*

武 永，陳明和

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

鈦合金具有良好的屈強(qiáng)比、高低溫性能、抗疲勞性能和耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，其復(fù)雜薄壁曲面和中空整體結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，部分零件兼具耐高溫、良好氣動(dòng)性能等[2–3]。因鈦合金在常溫下變形抗力大、回彈嚴(yán)重、局部破裂等問題，常采用熱塑性成形工藝加工復(fù)雜薄壁件，如熱壓成形、熱校形、高溫氣脹成形、超塑成形/擴(kuò)散連接等，這些加工工藝已應(yīng)用于一些鈦合金薄壁件制造，如F–15戰(zhàn)機(jī)的整體框、梁、壁板，B–1B轟炸機(jī)的壁板、艙門、風(fēng)擋熱噴氣口，陣風(fēng)戰(zhàn)機(jī)前置翼，A330客機(jī)的檢修口蓋，CF6–80發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)流葉片，發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦空心葉片，EJ–200發(fā)動(dòng)機(jī)的防熱罩、排氣管道，導(dǎo)彈的舵翼、筒體、進(jìn)氣道，火箭的貯氦罐等[2]。國(guó)外從事鈦合金復(fù)雜薄壁件研制和生產(chǎn)的單位有美國(guó)波音、普惠、柯林斯、ERIE、Savage、Macrodyne，英國(guó)Superform、

Senior Aerospace、BAE systems、Group Rhodes、ITP Aero、AFRC，德國(guó)MBB，法國(guó)ACB，加拿大Accudyne，瑞士Form Tec AG和俄羅斯超塑性研究所等。國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域的各主機(jī)廠、制造工藝研究院所、部分高校和民企先后開展了鈦合金高溫成形工藝及裝備的研究[4]。

目前，國(guó)外鈦合金薄壁件的熱成形工藝及裝備相對(duì)成熟，研究文獻(xiàn)集中于熱變形機(jī)理及本構(gòu)模型[5]、高效率低成本的新熱塑性成形工藝[6–8]、多尺度模型及形性控制[9–10]、制造零件的服役全壽命預(yù)測(cè)等[11]。國(guó)內(nèi)各研究院所及主機(jī)廠的研究工作多偏重于成形工藝本身[12–14]，如模具設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)、工藝缺陷、尺寸精度、組合工藝方法、工藝仿真和組織性能、國(guó)產(chǎn)熱塑性成形機(jī)床研制等，高校開始逐漸轉(zhuǎn)向熱變形機(jī)理及形性控制、新材料開發(fā)、新熱塑性成形工藝等研究方向。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)在熱塑性變形基礎(chǔ)理論、可持續(xù)開發(fā)的自主仿真軟件平臺(tái)、熱塑性成形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及智能調(diào)用等研究上還有一定差距。

本文總結(jié)了鈦合金熱塑性變形理論、熱塑性成形工藝、模具及裝備等研究進(jìn)展，預(yù)測(cè)和討論了鈦合金薄壁件熱塑性成形工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

1 鈦合金熱塑性變形理論

鈦合金塑性變形機(jī)制包括位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界滑移和擴(kuò)散蠕變。隨著成形溫度的變化，鈦合金的主要變形機(jī)制和硬化方式發(fā)生變化[15]，如圖1所示（GBS為晶界滑移；μ為臨界剪切應(yīng)力；α為材料參數(shù)；b為伯格矢量；ρ為位錯(cuò)密度；σ為流動(dòng)應(yīng)力；k為材料常數(shù)；Tm為熔點(diǎn)；m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)）。理想條件下，在較低溫度下變形時(shí)，鈦合金應(yīng)力–應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化特性，主要變形機(jī)制是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，晶粒被拉長(zhǎng)。在0.3Tm～0.5Tm溫度時(shí)，主要變形機(jī)制是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界滑移，硬化方式為應(yīng)變和應(yīng)變速率雙硬化。在0.5Tm以上主要進(jìn)行超塑性成形，其熱變形機(jī)制和組織演變受應(yīng)變速率影響，材料的流動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變速率的關(guān)系如圖2所示[16]（Qgb為晶界滑移激活能；Qv為體積擴(kuò)散激活能；P為晶粒尺寸影響因子）。低應(yīng)變速率變形的主要機(jī)制為擴(kuò)散蠕變，晶粒被拉長(zhǎng)并粗化；高應(yīng)變速率變形的主要機(jī)制是位錯(cuò)滑移/攀移，晶粒伸長(zhǎng)變形，且出現(xiàn)明顯的織構(gòu)；超塑性變形的主要機(jī)制為晶界滑移，并存在晶粒伸長(zhǎng)、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)、再結(jié)晶等協(xié)調(diào)機(jī)制。在不同的應(yīng)變速率區(qū)域，晶粒尺寸影響因子、應(yīng)變速率敏感性指數(shù)、鈦合金變形激活能系數(shù)等均存在差距。

圖1 3種溫度范圍內(nèi)的微觀機(jī)理及應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Micro-mechanisms and stress–strain relations within three temperature ranges

圖2 金屬超塑變形時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變速率關(guān)系Fig.2 Expanded version of the logarithmic plot of stress versus strain rate for superplastic alloy

為定量描述微觀組織和力學(xué)性能，需構(gòu)建材料高溫變形組織演變的物理機(jī)制模型[17]。擴(kuò)散蠕變機(jī)制主要有Nabarro–Herring晶內(nèi)蠕變機(jī)制和Cobie晶界擴(kuò)散機(jī)制；晶界滑移機(jī)制模型主要有Rachinger模型，Ashby–Verrall的伴隨擴(kuò)散蠕變的晶界滑移模型，Ball–Hutchison、Mukherjee、Gifkins等伴隨位錯(cuò)蠕變的晶界滑移模型。在熱塑性變形過程，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)和再結(jié)晶起到重要的協(xié)調(diào)作用。Alabort等[5]采用高溫原位SEM的試驗(yàn)方法分析了TC4鈦合金熱塑性變形機(jī)制，證實(shí)了晶界滑移在超塑變形中的主要作用，以及晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散蠕變的協(xié)調(diào)作用，如圖3所示，其中ε為真實(shí)應(yīng)變。在900℃超塑性變形時(shí)，β相在α相晶界滑移中起到協(xié)調(diào)作用，鈦合金熱塑性變形是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)–力學(xué)過程，是多種變形機(jī)制綜合結(jié)果，甚至包括晶界/晶內(nèi)的元素成分不均[18]，隨變形溫度和應(yīng)變速率變化，各種變形機(jī)制的參與程度不同。

圖3 TC4鈦合金在900℃以2×10–4s–1應(yīng)變速率高溫拉伸的原位SEM及變形機(jī)制Fig.3 Micrographs of a TC4 sample tested at 900℃ applying strain rate of 2×10–4s–1

采用考慮位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化和初始臨界應(yīng)力的蠕變方程，可統(tǒng)一描述鈦合金高溫變形規(guī)律：

式中，M為平均泰勒因子；α為材料常數(shù)；ρ為位錯(cuò)密度。高溫變形的流動(dòng)應(yīng)力與位錯(cuò)密度、晶粒尺寸密切相關(guān)，受高溫變形的再結(jié)晶、回復(fù)、晶粒長(zhǎng)大等機(jī)制影響，可建立偏微分方程分別計(jì)算。

鈦合金有密排六方晶格α相和體心立方晶格β相兩種相成分，高溫變形時(shí)，α相為硬相，β相為軟相。在溫度變化時(shí)，兩相之間發(fā)生相轉(zhuǎn)變。對(duì)于雙相合金的高溫變形，常采用等應(yīng)力模型、等應(yīng)變模型或考慮雙相界面作用的模型來描述各相的貢獻(xiàn)[19]，并結(jié)合各相的體積分?jǐn)?shù)和形變強(qiáng)度。

為精確預(yù)測(cè)鈦合金熱變形的流動(dòng)應(yīng)力曲線，還需要考慮到片層α相球化、空洞損傷等軟化現(xiàn)象[17]。因密排六方α相的強(qiáng)各向異性，鈦合金在高溫下的各向異性隨變形條件變化而變化。圖4為TA32鈦合金在800℃溫度下以0.01s–1應(yīng)變速率拉伸得到的流動(dòng)應(yīng)力曲線，0°、45°和90°表現(xiàn)出明顯不同的延伸率、抗拉強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律[20]。此外，材料的拉壓不對(duì)稱性、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和加載路徑相關(guān)性，對(duì)材料高溫本構(gòu)模型和成形零件服役性能預(yù)測(cè)模型提出了新的要求[21]。隨著高溫成形技術(shù)和精確控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖電流、電磁感應(yīng)加熱、超聲能場(chǎng)等輔助能場(chǎng)在鈦合金薄壁件制造中逐漸應(yīng)用，其多場(chǎng)耦合作用下的鈦合金高溫塑性變形機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

圖4 TA32鈦合金的高溫各向異性（800℃、0.01s–1應(yīng)變速率）Fig.4 High temperature anisotropy of TA32 titanium alloy (800℃,0.01s–1 strain rate)

2 鈦合金薄壁件熱塑性成形工藝

2.1 熱壓成形

鈦合金熱壓成形生產(chǎn)效率高，常用于鈦合金蒙皮、波紋板、框板、整流罩、角片、桁條、進(jìn)氣道、筒形件、包邊件等零件的制造。典型成形工藝有熱拉伸成形、熱彎曲成形、熱模壓成形、冷模熱沖壓成形等，成形零件的尺寸精度受模具精度、回彈補(bǔ)償、溫度分布、取件工序等影響。由于模具的蠕變變形、熱膨脹應(yīng)力、磨損和冷熱疲勞等問題影響了鈦合金零件的生產(chǎn)質(zhì)量及尺寸精度，因此熱成形模具的設(shè)計(jì)制造是熱塑性成形工藝的核心技術(shù)之一。對(duì)于單方向尺寸較大的薄壁零件，熱壓成形溫差高達(dá)幾十?dāng)z氏度，需考慮非均勻溫度場(chǎng)的影響[22]。圖5（a）為南航研制的大尺寸TA32鈦合金蒙皮件，單方向尺寸＞3m，在模具設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)償了溫度分布不均和模具熱膨脹誤差。在兩個(gè)曲面交界區(qū)域，鈦合金薄板受到壓–壓應(yīng)力狀態(tài)，容易發(fā)生起皺。通過減小上下模具兩側(cè)間隙，并在模具上增加板料限制結(jié)構(gòu)方法，增大了壓邊力，使板料由壓–壓應(yīng)力狀態(tài)改善為拉–壓應(yīng)力狀態(tài)，抑制了板料起皺。圖5（b）為熱壓成形馬鞍件，在端部翹曲區(qū)域易發(fā)生減薄和破裂，通過減小工藝輔助區(qū)和優(yōu)化坯料，可減少減薄率[23]。圖5（c）為熱壓成形復(fù)雜件，對(duì)表面質(zhì)量和尺寸精度要求較高，通過在800℃增加保溫時(shí)間20min，減少回彈。在熱模取放件工序中，應(yīng)充分考慮熱應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致的尺寸畸變，必要時(shí)需多步熱壓成形。圖5（d）為熱壓成形的TB8包邊件，壁厚為0.5mm，軸向扭轉(zhuǎn)角為88.7°，全零件尺寸偏差＜0.5mm，為此在675℃下采用多步熱壓成形，每次保溫15min，最終成形質(zhì)量完好的零件[24]。

圖5 典型熱壓成形鈦合金零件Fig.5 Typical titanium alloy thin-walled parts prepared by hot pressing forming technology

熱壓成形鈦合金薄壁件的典型缺陷包括表面拉傷、起皺、局部堆疊、壁厚減薄嚴(yán)重甚至破裂、壁厚不均、形狀畸變、尺寸精度差等，需要通過工藝優(yōu)化逐一解決。圖6（a）為熱拉伸成形的TC1筒形件，表面存在明顯的拉傷，這與模具材料、變形溫度和壓邊間隙等密切相關(guān)。采用中硅鉬替代1Cr18Ni9Ti模具材料，壓邊間隙控制在1.20 ～1.25mm，成形溫度控制在620℃左右，并以≤30mm/min的拉深速度的加工，最后得到合格零件[12]。圖6（b）為熱壓成形馬鞍件常見的起皺缺陷，轉(zhuǎn)折角度越小起皺越劇烈。通過分型面多步成形將馬鞍蒙皮的變形量分解，改變變形順序。優(yōu)化模具壓邊結(jié)構(gòu)，增加壓邊力，改善了起皺區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)。綜合利用以上措施，可有效抑制懸空區(qū)起皺缺陷[13]。圖6（c）為飛機(jī)尾椎蒙皮件熱成形常出現(xiàn)的破裂和堆疊缺陷，通過增加預(yù)成形工序，增大變形區(qū)域和改變變形順序，避免應(yīng)變集中和材料堆疊[14]。熱壓成形零件的缺陷通?？赏ㄟ^改變模具間隙、增加預(yù)成形、多步成形、表面潤(rùn)滑、復(fù)合模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和毛坯優(yōu)化等方法改善或抑制。針對(duì)部分復(fù)雜曲面或帶負(fù)角難變形零件，需綜合運(yùn)用模具設(shè)計(jì)、多步成形、多工藝復(fù)合，甚至需分瓣成形后拼焊組裝來解決。

圖6 熱壓成形件的典型缺陷Fig.6 Typical defects of the titanium alloy thin-walled parts prepared by hot pressing forming technology

為提高成形效率，部分學(xué)者研究了鈦合金冷模熱沖壓及電輔助熱沖壓工藝，大幅降低了鈦合金加熱時(shí)間，降低制造成本。圖6（d）為0.6mm純鈦板脈沖電流輔助熱沖壓件，加熱溫度600～680℃，顯著降低了回彈變形[25]。利用75A/mm3電流密度、占空比30%的脈沖電流加熱TC4板，熱沖壓成形“U”形件，回彈角比室溫沖壓減小50%以上，但大于熱模壓成形[26]。

2.2 熱校形

熱校形工藝?yán)昧瞬牧显诟邷叵碌膽?yīng)力松弛效應(yīng)，改善鈦合金件因變形或焊接導(dǎo)致的形狀畸變，提高零件尺寸精度，常用于發(fā)動(dòng)機(jī)靜子內(nèi)環(huán)、飛行器筒體件、發(fā)動(dòng)機(jī)噴口件、“Z”字形框等零件制造。圖7（a）為南京航空航天大學(xué)（簡(jiǎn)稱南航）利用分瓣剛性模具熱脹形法在500℃校形20min得到的TA1鈦合金靜子內(nèi)環(huán)，零件的圓度＜ 0.3mm。圖7（b）為采用分瓣剛性模具熱脹形校形的TC4鈦合金直筒形件，校形溫度650℃，保溫時(shí)間30min，實(shí)現(xiàn)零件內(nèi)徑（200±0.2）mm[27]。圖7（c）為利用組合模具熱壓脹形的校形方法制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用TA15鈦合金環(huán)形件，熱成形和校形溫度為800℃，零件截面壁厚在1.8～2.0mm[28]。圖7（d）為采用熱壓成形、焊接和焊后熱校形方法制造的航天飛行器TC4鈦合金筒形蒙皮件，校形溫度700℃，校形時(shí)間30min時(shí)，無預(yù)緊力的圓度為1.93mm，有預(yù)緊力的圓度為0.49mm，有預(yù)緊力校形60min的圓度為0.43mm[29]。曲鳳[30]采用700～750℃下保溫1.5h校形了某典型整體壁板零件，實(shí)現(xiàn)不貼模度＜0.5mm精度；在600 ～ 650℃下保溫1.5h校形了某銑削畸變的框類零件，將不貼模度從2～3mm降低至0.5mm。

圖7 典型的熱校形鈦合金件Fig.7 Typical titanium alloy thin-walled parts prepared by creep/stress relaxation forming technology

鈦合金熱校形零件的成形質(zhì)量與模具精度、校形時(shí)間、校形溫度、預(yù)變形量、初始應(yīng)力、材料組織等參數(shù)密切相關(guān)。其物理本質(zhì)是應(yīng)力作用下鈦合金內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是位錯(cuò)滑移和堆積的宏觀表現(xiàn)。在應(yīng)力松弛過程，彈性變形逐漸向塑性變形轉(zhuǎn)變，可有效解決焊接筒體呈橢圓狀、尺寸精度差等問題。由于各溫度下應(yīng)力松弛極限和應(yīng)力松弛速度不同，為成形高尺寸精度零件、降低殘余應(yīng)力和提高生產(chǎn)效率，可適當(dāng)提高應(yīng)力松弛溫度。

2.3 高溫氣壓成形

鈦合金高溫氣壓成形，是采用氣體對(duì)板料施加壓力，使鈦合金板料貼模制造出合格零件的工藝方法。根據(jù)不同脹形壓力和溫度，可分為超塑氣壓成形和高壓氣脹成形，典型的鈦合金件如圖8所示。圖8（a）為利用波音公司與俄羅斯VSMPO開發(fā)的細(xì)晶TC4板材在770℃下超塑氣壓成形薄壁件，元素成分和力學(xué)性能符合AMS4911標(biāo)準(zhǔn)[31]。圖8（b）為700～800℃下高壓氣脹工藝成形的TA15鈦合金復(fù)雜曲率管件，通過組織性能調(diào)控，成形件的室溫性能提高5%～10%[32]。相比于熱模壓成形，氣壓成形的模具磨損和零件尺寸畸變小，通過氣源系統(tǒng)氣壓加載調(diào)控，可控制材料應(yīng)變速率，在制造形狀復(fù)雜、曲率變化大的零件上有巨大優(yōu)勢(shì)。

高溫氣壓成形的主要缺陷是壁厚不均勻。通過模具設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)，可改善材料壁厚分布，主要的方法有脹形圓角優(yōu)化、正反脹形、拉深脹形復(fù)合成形、非均勻溫度場(chǎng)法和補(bǔ)料法等。圖8（c）為正反脹形工藝得到的TC4鈦合金零件，在930℃利用反脹法預(yù)成形提前存儲(chǔ)材料，然后正向脹形，相比于單一的正向脹形成形，壁厚從1.18 ～ 2.24mm改善為1.50 ～1.78mm[33]。圖8（d）為利用高壓氣脹工藝成形了70%膨脹率的TA18鈦合金變徑管件，通過電磁感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)了非均勻溫度場(chǎng)，中間區(qū)域溫度高于兩端補(bǔ)料區(qū)溫度，當(dāng)溫差為15℃、軸向補(bǔ)料38mm時(shí)，管件最大減薄率為18.9%[34]。圖8（e）為通過927℃下的超塑脹形和軸向補(bǔ)料方法成形的TC4鈦合金“U”形波紋管，最大直徑350mm以上[35]。圖8（f）為南航通過拉深成形和脹形復(fù)合制造的TB8鈦合金衛(wèi)星半球件，壁厚0.3mm，最大減薄率＜ 25%。圖8（g）為超塑成形后拼焊的衛(wèi)星用鈦合金儲(chǔ)料球罐件，利用預(yù)先處理的非均勻壁厚板材進(jìn)行超塑脹形，可得到均勻壁厚的半球件[36]。

圖8 高溫氣壓成形的典型鈦合金零件Fig.8 Typical titanium alloy thin-walled parts prepared by hot gas forming technology

2.4 超塑成形/擴(kuò)散連接

鈦合金的超塑成形溫度和擴(kuò)散連接溫度相近，適合超塑成形/擴(kuò)散連接復(fù)合工藝，這為鈦合金中空整體結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造提供了有效方法，在飛機(jī)和飛行器等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大優(yōu)勢(shì)。圖9為超塑成形/擴(kuò)散連接的典型零件和缺陷。圖9（a）為TC4馬鞍型雙層整體壁板，在800～920℃下，以1.5MPa壓力成形1h，得到擴(kuò)散焊合率＞90%、表面無階差的整體零件[37]。通過對(duì)材料細(xì)晶化處理，可大幅降低超塑成形/擴(kuò)散連接溫度。圖9（b）為波音采用細(xì)晶TC4鈦合金在775℃下通過超塑成形/擴(kuò)散連接成形的整體雙通道隔熱板[38]，提高了成形效率，降低了能耗。四層板結(jié)構(gòu)舵翼也是超塑成形/擴(kuò)散連接的典型應(yīng)用之一?？紤]到四層結(jié)構(gòu)舵翼超塑成形/擴(kuò)散連接制造過程中，加熱時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致板料晶粒粗化、性能下降明顯，且擴(kuò)散連接質(zhì)量不穩(wěn)定等，采用激光預(yù)焊芯板可有效解決這些問題。圖9（c）為采用芯板激光預(yù)焊后超塑成形/擴(kuò)散連接制備的TC4鈦合金帶預(yù)制塊四層結(jié)構(gòu)舵翼模擬件，成形溫度920℃，最大脹形氣壓1.2MPa，焊合率＞95%，晶粒尺寸長(zhǎng)大＜35%，但壓力不足導(dǎo)致三角區(qū)空洞較大，面板也有明顯溝槽缺陷[39]。李保永等[40]開展了鈦合金四層結(jié)構(gòu)件超塑成形/擴(kuò)散連接工藝中表面凹槽缺陷的影響因素研究，認(rèn)為應(yīng)變速率、擴(kuò)散連接區(qū)域?qū)挾?、芯板與蒙皮厚度比和摩擦系數(shù)等都對(duì)表面溝槽深度有影響，提出了面板與芯板之間施加0.2MPa背壓方法，并建議蒙皮和芯板的壁厚比大于2∶1。

鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片是超塑成形/擴(kuò)散連接的另一典型代表件。自20世紀(jì)90年代，羅·羅公司遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)開始裝機(jī)使用空心風(fēng)扇葉片，美國(guó)和俄羅斯相繼進(jìn)行相關(guān)研究。圖9（d）為俄羅斯超塑性研究所研制的三層寬弦空心風(fēng)扇葉片，裝機(jī)于新型PD–14航空發(fā)動(dòng)機(jī)[41]。國(guó)內(nèi)也開展了三層空心葉片超塑成形/擴(kuò)散連接研究，并成功研制出樣件，通過了鳥撞等驗(yàn)證[42–43]。為避免三層空心風(fēng)扇葉片面板和芯板連接處曲率引起的疲勞損傷問題，南航開展了對(duì)開式結(jié)構(gòu)鈦合金空心葉片擴(kuò)散連接、扭轉(zhuǎn)和氣壓整形研究，制備的鈦合金空心葉片樣件如圖9（e）所示，制造流程為鈦合金鍛坯→銑削內(nèi)筋→擴(kuò)散連接→扭轉(zhuǎn)預(yù)成形→超塑氣壓脹形校形→精加工，為設(shè)計(jì)人員提供了充分的設(shè)計(jì)空間[44]，但也引入了內(nèi)筋錯(cuò)位焊接和焊后扭轉(zhuǎn)變形損傷難題。隨著飛行器對(duì)飛行速度和節(jié)能減排的要求，對(duì)蜂窩、點(diǎn)陣等拓?fù)渲锌战Y(jié)構(gòu)件需求愈加迫切[45–46]，其精密制造技術(shù)成為研究重點(diǎn)。圖9（f）為南航利用超塑成形/擴(kuò)散連接制備的TC4鈦合金金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)舵翼樣件，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)非均勻排布。

圖9 典型的超塑成形/擴(kuò)散連接鈦合金件及缺陷Fig.9 Typical titanium alloy thin-walled parts prepared by superplastic forming/diffusion bonding technology and their defects

超塑成形/擴(kuò)散連接優(yōu)點(diǎn)突出，但制造難度大，生產(chǎn)過程常出現(xiàn)以下問題：（1）因鈦板材表面粉塵和油污等導(dǎo)致擴(kuò)散焊接質(zhì)量差，需認(rèn)真制定酸洗操作規(guī)程，嚴(yán)格按照規(guī)程試驗(yàn)和生產(chǎn)，酸洗后，在無塵房?jī)?nèi)裝配、操作。（2）空腔內(nèi)擴(kuò)散連接面保護(hù)不充分，在高溫中表面氧化，擴(kuò)散連接質(zhì)量差，需在真空爐中擴(kuò)散連接，或?qū)⑿枰獢U(kuò)散焊接的界面封閉，并抽真空或充入高純氬氣保護(hù)。（3）氣壓加載路徑不適，導(dǎo)致了三角區(qū)存在明顯縫隙、表面凹陷、局部芯板不貼模等缺陷，如圖9（g）～（i）所示[47–48]，需經(jīng)過精確的有限元仿真，優(yōu)化工藝路徑，使用背壓，改變摩擦系數(shù)、面板和芯板厚度比等，最后采用高氣壓整形。（4）板料局部變形量大，鈦合金存在變形損傷，減薄嚴(yán)重甚至破裂，可優(yōu)化材料性能提高材料延伸率，或改變變形順序、增加預(yù)成形等工藝。（5）變形時(shí)間太長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，晶粒粗大導(dǎo)致性能下降，可增大爐子加熱功率實(shí)現(xiàn)快速加熱，或采用高溫?fù)Q模、高溫取放件等減少加熱時(shí)間，或采用低溫超塑性材料降低成形溫度，或采用陶瓷模具等降低爐內(nèi)材料的熱容等。

2.5 柔性熱成形

柔性成形技術(shù)廣泛用于多品種小批量薄壁零件生產(chǎn)制造，包括漸進(jìn)成形、激光成形、拉伸成形、多點(diǎn)成形、輥壓成形、柔性彎曲等。鈦合金板材的柔性熱成形技術(shù)具有加熱方式多、成形自由度大、數(shù)字化控制潛力大等特點(diǎn)。圖10（a）為電輔助加熱漸進(jìn)成形工藝制備的TiAl2Mn1.5圓錐和方錐形件[49]。圓錐件的加熱電流為400A，漸進(jìn)工作頭速率為800mm/min，步長(zhǎng)為0.1mm，工具直徑為8mm。因方錐形件成形難度大于圓錐件，開始采用工作頭速率800mm/min，當(dāng)方錐形件深度達(dá)到4mm后，降低工作頭速率至400mm/min，成形溫度在700℃左右。針對(duì)需要局部彎曲成形的零件，可采用局部加熱彎曲。圖10（b）為南航通過激光加熱彎曲的Ti2AlNb板件，通過改變掃描路徑，可得到不同彎曲效果。采用0.3mm激光光斑，掃描功率0.4kW，掃描速率1.0m/min，重復(fù)掃描8遍，可將寬度40mm、厚1.0mm的Ti2AlNb板材件彎曲18°左右。圖10（c）為φ50mm×1.5mm的TA18鈦合金加熱數(shù)控彎曲管件，在298℃、芯模直徑16.56mm、芯棒伸出量0.93mm、助推系數(shù)1.17的工藝參數(shù)下得到了彎曲角90°的管件，最大減薄率僅為3.62%，最大截面扁化率為11.20%[50]。圖10（d）為電輔助加熱的OT4M鈦合金拉彎件，采用10.57A/mm2的電流密度加熱時(shí)，可在30s內(nèi)達(dá)到650℃，并進(jìn)行拉彎成形，拉彎后通電應(yīng)力松弛10min，零件貼模間隙為0.5～2mm[51]。盡管柔性成形自由度高，但最終成形件的尺寸精度和組織性能受工藝參數(shù)影響較大，易導(dǎo)致局部減薄甚至破裂、回彈變形、形狀畸變等缺陷，這需要有限元仿真的精確預(yù)測(cè)和工藝參數(shù)的精密控制。

圖10 典型的柔性成形鈦合金薄壁件Fig.10 Typical titanium alloy thin-walled parts prepared by hot flexible forming technology

3 鈦合金薄壁件熱塑性成形模具及裝備

因鈦合金熱成形溫度高，模具工作環(huán)境惡劣，其模具材料選擇和設(shè)計(jì)制造與冷成形存在較大差異。熱成形模具材料應(yīng)具有抗高溫氧化性、抗熱沖擊性能、良好的高溫機(jī)械加工性能、相變溫度高、組織性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。常用的高溫模具材料有低合金耐熱鋼、耐熱球墨鑄鐵、中硅鉬、高鎳鉻合金鋼和鎳基合金等。選擇模具材料時(shí)，應(yīng)綜合考慮零件的復(fù)雜程度、成形溫度、批次數(shù)量、零件尺寸精度需求和經(jīng)濟(jì)效益等因素。超塑成形的模具脹形壓力較小，可選擇耐高溫的陶瓷材料。

鈦合金熱壓成形裝備是熱壓成形工藝實(shí)施的保證。裝備的主要組成有液壓機(jī)床和高溫爐，其研制主要包括液壓機(jī)設(shè)計(jì)制造、加熱裝置設(shè)計(jì)及制造、高溫金屬平臺(tái)和隔熱陶瓷研制、換模機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)研制等。熱壓成形機(jī)床中增加氣壓加載和真空系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)超塑成形、超塑成形/擴(kuò)散連接的功能。

目前，國(guó)外的熱成形機(jī)床已系列化發(fā)展，設(shè)備壓力可達(dá)5000t以上，加熱溫度達(dá)1100℃以上，工作臺(tái)面達(dá)5.3m×2.3m，集成了液壓/氣壓管理系統(tǒng)、加壓加熱控制系統(tǒng)和滑動(dòng)平臺(tái)等模塊，其控制系統(tǒng)可準(zhǔn)確控制溫度、壓力、行程等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、工藝參數(shù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)處理、工藝開發(fā)與數(shù)據(jù)庫管理、加工過程網(wǎng)絡(luò)交互、高溫開模取件和高溫?fù)Q模等功能。超塑成形機(jī)床的氣壓控制系統(tǒng)采用精密比例閥控制，可實(shí)現(xiàn)氣脹成形氣壓曲線加載的編程控制，控制精度已達(dá)到±0.007MPa。通過多區(qū)協(xié)調(diào)加熱和9點(diǎn)控溫，爐內(nèi)溫度均勻性在±5℃以內(nèi)，壓力機(jī)上下高溫金屬加壓平臺(tái)平行度達(dá)0.1mm，平面度≤0.1mm。國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)熱成形機(jī)床的研制，開始熱成形高端裝備研制和布局，正形成穩(wěn)定持續(xù)的生產(chǎn)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。但國(guó)產(chǎn)熱成形機(jī)床的正向設(shè)計(jì)能力尚需提高，各系統(tǒng)之間的匹配關(guān)系有待進(jìn)一步優(yōu)化，例如壓力機(jī)回彈補(bǔ)償，液壓、氣壓、流量、功率、加熱散熱和水冷等匹配，伺服閥、壓力表、光柵尺、電磁閥、控制系統(tǒng)的配合和滯后，熱成形裝備溫度場(chǎng)及熱膨脹等。此外，數(shù)字化熱成形機(jī)床也是未來發(fā)展趨勢(shì)，包括過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析、健康診斷、斷電保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)交互等。

4 發(fā)展趨勢(shì)

鈦合金薄壁件及熱塑性成形裝備已基本實(shí)現(xiàn)“造得出”，并提出“造得精、造得好”的更高要求。針對(duì)新型高溫鈦合金、Ti2AlNb、TiAl等難加工新材料，其投影面積2m2以上的高精度超薄件、局部棱角尖銳的新結(jié)構(gòu)件、帶功能的中空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等需求增加，迫切需要制造工藝的快速發(fā)展。為此，可開展以下研究。

（1）“材料–設(shè)計(jì)–制造–裝備”一體化協(xié)同發(fā)展。

多層、蜂窩、點(diǎn)陣的熱塑性成形方法為混合結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)空間，結(jié)合非均勻材料分布、梯度材料、異種材料連接等，可使鈦合金薄壁件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化、自主冷卻、吸聲隔熱等功能，滿足裝備提出的新要求。

（2）形性預(yù)測(cè)控制及仿真軟件。

熱塑性成形工藝參數(shù)顯著影響了鈦合金薄壁零件尺寸精度和組織性能，易導(dǎo)致零件形狀、性能等缺陷。通過構(gòu)建材料物理模型、熱成形數(shù)據(jù)庫、軟件開發(fā)和仿真優(yōu)化等可實(shí)現(xiàn)鈦合金薄壁件形性預(yù)測(cè)。以跨尺度仿真數(shù)據(jù)為依據(jù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，可大幅縮短工藝流程或?qū)⒐に嚵鞒棠K化，提高零件合格率。

（3）成形工藝及裝備的穩(wěn)定控制和數(shù)字化。

熱塑性成形的影響因素較多，零件組織性能與時(shí)間相關(guān)，工藝參數(shù)的波動(dòng)性大。為保持鈦合金成形件的質(zhì)量均一穩(wěn)定，需用自動(dòng)化生產(chǎn)代替手工作業(yè)，以數(shù)字化控制代替專家經(jīng)驗(yàn)。需要研究工藝參數(shù)的深度學(xué)習(xí)優(yōu)化方法，結(jié)合可靠的機(jī)床裝備控制軟硬件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造。

（4）高效率熱塑性成形工藝及裝備。

為提升生產(chǎn)效率、提高成形自由度、降低成形制造成本和節(jié)能減排，電輔助熱沖壓、電輔助漸進(jìn)成形、激光彎曲、電輔助拉彎、感應(yīng)熱校形等特種能場(chǎng)輔助的高效率熱塑性成形工藝正蓬勃發(fā)展，其多物理場(chǎng)耦合機(jī)制、精確控制技術(shù)、新工藝方法和制造裝備是今后的研究重點(diǎn)。