鈦合金成形技術(shù)與應(yīng)用

洪 權(quán)，郭 萍，周 偉

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

近年來(lái)，我國(guó)高新技術(shù)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，航空航天、海洋工程、石油化工及武器裝備等高端領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件正向輕量化、高強(qiáng)化、高可靠性和耐久性等極端服役性能發(fā)展，鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)異性能，成為高端裝備的優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料。高端裝備通常由形狀、尺寸各異的若干個(gè)零部件構(gòu)成，這些零部件的尺寸精度及性能直接影響裝備整體的可靠性及安全性[1-6]，這就對(duì)零部件的成形技術(shù)及尺寸精度提出了更高的要求。

鈦合金屬于難變形合金，成形加工困難，特別是α-Ti的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，具有較大的致密度和配位數(shù)，晶胞中的原子排列緊密，滑移系少，滑移過(guò)程的空間位向少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力較大[7]，塑性差，成形過(guò)程中的抗力較大，故成形尺寸精度不高。此外，鈦合金熱熔小、導(dǎo)熱性差，也導(dǎo)致其熱加工窗口狹窄。因此，為了制備滿足高端裝備要求的各種形狀的鈦合金產(chǎn)品，就必須選擇與鈦合金加工特性相適應(yīng)的冷、熱成形加工技術(shù)。

西北有色金屬研究院鈦合金研究所長(zhǎng)期致力于鈦合金材料及相關(guān)加工技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)出了一系列適合不同形狀、規(guī)格的鈦合金零部件產(chǎn)品加工技術(shù)。本文主要介紹冷沖壓成形技術(shù)、超塑成形技術(shù)、旋壓成形技術(shù)、熱推制成形技術(shù)、熱模鍛成形技術(shù)的特點(diǎn)及其在鈦合金成形中的應(yīng)用，以期為推動(dòng)我國(guó)鈦合金成形技術(shù)的進(jìn)步提供參考。

1 冷沖壓成形技術(shù)

冷沖壓成形是在常溫下利用沖壓設(shè)備和模具，使各種不同規(guī)格的板料在壓力作用下變形成所需形狀的一種加工工藝。材料的冷沖壓成形性與材料特性有關(guān)，一般要求材料具有良好的機(jī)械性能、較大的變形能力以及理想的金相組織，其中，機(jī)械性能包含了材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、硬度、塑性應(yīng)變比r等參數(shù)。

較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)使材料的沖壓成形抗力增加，成形難度增大，模具壽命降低。此外，高的屈服強(qiáng)度還會(huì)使零件成形結(jié)束脫模后的回彈增大，尺寸精度降低，而高延伸率材料的成形極限較大，有利于沖壓成形。一般金屬材料的冷沖壓成形需要分多次才能達(dá)到最終的產(chǎn)品形狀，加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象源于材料在承受一定塑性變形后繼續(xù)施加載荷使變形抗力增加以對(duì)抗塑性變形的再產(chǎn)生，較高的加工硬化系數(shù)意味著材料繼續(xù)加工會(huì)抑制局部變形，并造成硬化，導(dǎo)致塑性降低而不易加工。但較低加工硬化系數(shù)的材料在繼續(xù)加工時(shí)會(huì)引起局部變形增大而導(dǎo)致薄弱區(qū)域開(kāi)裂，因此拉伸成形需要材料具有合適的加工硬化系數(shù)n。材料的塑性應(yīng)變比r是表征材料各項(xiàng)異性的參數(shù)，主要影響拉伸性能，較高的r值說(shuō)明材料的各向異性不明顯。綜上，良好的沖壓成形性對(duì)材料的性能要求是具有低的屈強(qiáng)比、高的延伸率、適當(dāng)?shù)募庸び不禂?shù)n和較高的塑性應(yīng)變比r。

表1列出了幾種金屬材料與拉伸成形性能相關(guān)的參數(shù)[8～10]。由表1可以看出，鈦的拉伸成形性能較其他金屬差，因此其冷加工成形更加困難。

表1 不同金屬材料的拉伸成形參數(shù)對(duì)比

鈦合金板材在室溫下的可成形性十分有限，其室溫力學(xué)性能和微觀組織表現(xiàn)出的流線都具有明顯的各向異性，成形過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷[11]。因此，冷成形技術(shù)僅適合于鈦合金薄板的加工。自20世紀(jì)90年代，西北有色金屬研究院鈦合金研究所針對(duì)用戶(hù)需求開(kāi)展了鈦金屬隔膜成形技術(shù)研究，并根據(jù)鈦合金材料的性能特點(diǎn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一種適合深拉成形的高塑性、低屈服強(qiáng)度的隔膜專(zhuān)用鈦合金板材[12]。針對(duì)鈦合金屈強(qiáng)比高、材料回彈大的特點(diǎn)，研究人員通過(guò)模具設(shè)計(jì)及成形工藝參數(shù)的優(yōu)化開(kāi)發(fā)出了低速率拉伸成形工藝、分步多次成形技術(shù)以及機(jī)加工與沖壓相結(jié)合成形技術(shù)[13-15]，成功制備出了規(guī)格在180 mL～70 L范圍內(nèi)的十幾種高精度變壁厚鈦翻轉(zhuǎn)隔膜、Ti-15-3合金球形高壓氣瓶[16]、箔材三維空間結(jié)構(gòu)翅片等產(chǎn)品，有效避免了回彈造成的尺寸精度差、材料各向異性導(dǎo)致的周向變形不均及參數(shù)控制不當(dāng)造成的制耳、起皺、開(kāi)裂等現(xiàn)象，滿足了國(guó)防重點(diǎn)工程亟需。圖1為西北有色金屬研究院鈦合金研究所采用冷沖壓成形技術(shù)制備的鈦合金產(chǎn)品。

圖1 冷沖壓成形的鈦合金產(chǎn)品照片

2 超塑成形技術(shù)

2.1 超塑成形技術(shù)的特點(diǎn)

超塑成形是利用金屬材料在一定溫度及應(yīng)變速率下所呈現(xiàn)的超塑性(具有超塑性的材料能伸長(zhǎng)若干倍而不出現(xiàn)縮頸和斷裂)，將坯料加工成所需尺寸和形狀的工藝。通常，超塑成形是在密封條件下，通過(guò)向鈦合金板材一側(cè)或兩側(cè)施加氣體成形壓力，依靠板材的減薄獲得與模具型腔相近的結(jié)構(gòu)件外形[17]。超塑成形工藝具有成形性好、變形量大、尺寸精度高、表面質(zhì)量好、無(wú)殘余應(yīng)力、減少零件加工數(shù)量等優(yōu)點(diǎn)，不易出現(xiàn)板材在傳統(tǒng)成形過(guò)程中出現(xiàn)的回彈、破裂等現(xiàn)象[18]，在減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量、降低生產(chǎn)成本方面顯示出極大的優(yōu)越性。

2.2 超塑性分類(lèi)及成形條件

根據(jù)實(shí)現(xiàn)超塑性的條件，超塑性主要分為相變超塑性和組織超塑性。相變超塑性又稱(chēng)為動(dòng)態(tài)超塑性或環(huán)境超塑性，是指材料在一定溫度和外加載荷條件下，經(jīng)多次循環(huán)相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變獲得大的延伸率。而本文所涉及的超塑成形主要為組織超塑性。

實(shí)現(xiàn)組織超塑性一般需要滿足組織條件、應(yīng)變速率條件和溫度條件。(1)組織條件：組織細(xì)化，即要求細(xì)微晶粒，尺寸一般小于10 μm。晶粒等軸化有利于在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生晶界滑移或轉(zhuǎn)動(dòng)。大角度晶界在切應(yīng)力作用下很容易發(fā)生晶界滑動(dòng)，因此基體晶界應(yīng)為大角度晶界。晶界遷移可以使應(yīng)力集中松弛，有利于維持變形中晶粒的等軸性。超塑性合金中最好有第二相存在，這樣有利于在變形過(guò)程中抑制基體晶粒的長(zhǎng)大，但第二相的強(qiáng)度和硬度應(yīng)當(dāng)與基體材料處于同一量級(jí)，以避免變形過(guò)程中兩相界面產(chǎn)生空洞而過(guò)早斷裂。(2)應(yīng)變速率條件：不同的材料有不同的應(yīng)變速率ε與應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m、流動(dòng)應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，需要選擇最佳應(yīng)變速率，一般在10-4～10-2s-1范圍內(nèi)，遠(yuǎn)低于常規(guī)變形，一定程度上使超塑成形的生產(chǎn)效率和應(yīng)用受到限制。(3)溫度條件：一般要求成形溫度不小于0.5Tm(Tm為材料熔點(diǎn))。

除以上2種超塑性外，金屬材料在再結(jié)晶或組織轉(zhuǎn)變時(shí)，顯微組織在不穩(wěn)定的狀態(tài)下會(huì)生成等軸超細(xì)晶，此時(shí)在短時(shí)間內(nèi)快速施加外力，也會(huì)表現(xiàn)出超塑性。有些材料在退火狀態(tài)下產(chǎn)生超塑性，有些材料在大電流作用下產(chǎn)生超塑性[19]。

2.3 超塑成形技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，受高性能戰(zhàn)斗機(jī)需求推動(dòng)，國(guó)外航空工業(yè)率先開(kāi)展超塑成形技術(shù)研究，超塑性及其應(yīng)用研究也進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。70年代早期，美國(guó)Rockwell公司利用超塑成形技術(shù)制造了形狀復(fù)雜的F-15戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金整體骨架結(jié)構(gòu)，使鈦合金制造工藝發(fā)生了技術(shù)變革。隨后，美國(guó)的BLATS計(jì)劃將鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)組合技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，制造了B-1B戰(zhàn)略轟炸機(jī)的短艙框架、輔助動(dòng)力艙門(mén)等重要構(gòu)件，不僅大幅降低了成本，還顯著提高了成形效率。隨后研究人員開(kāi)發(fā)了超塑性鍛造技術(shù)，該技術(shù)相比用SPF/DB技術(shù)零件數(shù)量更少，主要用于國(guó)防工業(yè)。民用方面，采用等溫鍛造技術(shù)制成了人造心臟瓣膜、人工髖關(guān)節(jié)、高爾夫棒等精密零件。

西北有色金屬研究院鈦合金研究所自20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行鈦合金超塑成形技術(shù)的探索研究，并制備出用于制造飛行數(shù)據(jù)記錄儀(黑匣子)的Ti-451合金超塑成形殼體(圖2a)[20]，產(chǎn)品通過(guò)了飛機(jī)適航條款所規(guī)定的高強(qiáng)度沖擊、高溫?zé)g等嚴(yán)格測(cè)試。此外，還利用厚壁管坯吹脹成形工藝制備出整體無(wú)焊縫型TC4鈦合金高壓氣瓶(圖2b)。

圖2 超塑成形的鈦合金產(chǎn)品照片

進(jìn)入21世紀(jì)，西北有色金屬研究院鈦合金研究所又承擔(dān)了多項(xiàng)超塑成形鈦合金的研究項(xiàng)目，合金種類(lèi)包括TC4、SP700和TA15等，先后研制出了滿足性能指標(biāo)要求的超細(xì)晶TA15和SP700鈦合金板材，其晶粒尺寸小于3 μm，超塑性延伸率大于2000%，并采用超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)制備出了航空用相關(guān)產(chǎn)品[21-25]。圖3為SP700鈦合金的超細(xì)晶組織、超塑拉伸試樣及產(chǎn)品外觀。

圖3 SP700鈦合金的超細(xì)晶組織、超塑拉伸試樣及產(chǎn)品照片

3 旋壓成形技術(shù)

旋壓成形是一項(xiàng)傳統(tǒng)成形工藝，該工藝具有變形力小、節(jié)約原材料等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著機(jī)電一體化控制、高精度實(shí)時(shí)測(cè)量及大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)的引入，旋壓成形技術(shù)與裝備得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并已經(jīng)成為金屬壓力加工的重要方法。目前旋壓裝備正向著系列化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。在許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，旋壓設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化程度很高，旋壓成形工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣，應(yīng)用范圍日益廣泛。

圓筒形件的強(qiáng)力旋壓變形過(guò)程中，始終遵循著體積不變的原則，工件形狀的改變包括旋壓前后圓筒壁厚減薄、直徑變小、長(zhǎng)度增加等，同時(shí)產(chǎn)品內(nèi)徑也會(huì)因工藝參數(shù)的不同而改變。最終產(chǎn)品要素為圓筒內(nèi)外徑、壁厚、長(zhǎng)度、直線度、圓度等，產(chǎn)品長(zhǎng)度可用式(1)計(jì)算[26]。

(1)

式中：L1為工件長(zhǎng)度；L0為毛坯長(zhǎng)度；S0為毛坯厚度；S1為工件厚度；d1為工件內(nèi)徑。

由于鈦合金的冷旋壓變形能力較低，尤其是高強(qiáng)鈦合金，在旋壓加工過(guò)程中需要對(duì)加工部位進(jìn)行局部加熱(加熱方式包括火焰加熱和感應(yīng)加熱)。20世紀(jì)80年代，西北有色金屬研究院鈦合金研究所采用局部加熱強(qiáng)力旋壓工藝制備出圓柱形Ti-451合金罐體[27]，如圖4所示。該罐體規(guī)格為φ130 mm×1.2 mm×160 mm，爆破壓力達(dá)到16 MPa，通過(guò)了極限爆破壓力和耐久性能考核。

圖4 局部加熱旋壓工藝制備的Ti-451合金罐體照片

應(yīng)用戶(hù)需求，西北有色金屬研究院鈦合金研究所開(kāi)展了鈦合金波紋管的研制。采用滾珠旋壓加工技術(shù)制備出極薄壁CT20鈦合金管材，其壁厚僅為管徑的1/600～1/200，并以其為坯料成功制備出多層結(jié)構(gòu)波紋管，如圖5所示。

圖5 滾珠旋壓工藝制備的CT20鈦合金波紋管

4 熱推制成形技術(shù)

熱推制成形是環(huán)管和彎頭產(chǎn)品常用的成形方法，它采用專(zhuān)用彎頭推制機(jī)、彎頭成形芯棒和感應(yīng)線圈加熱裝置，使套在模具上的坯料管在推制機(jī)的推動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行加熱、擴(kuò)徑并彎曲成形的過(guò)程。這種成形方式避免了傳統(tǒng)彎管工藝在彎管成形時(shí)，因管壁凸邊受拉減薄、管壁凹邊受壓增厚而造成的彎管壁厚不均勻的現(xiàn)象，這對(duì)于航空航天用高承壓容器制備具有重要的意義。

在彎頭成形過(guò)程中，彎頭芯棒是不可缺少的成形模具。通過(guò)合理設(shè)計(jì)成形芯棒，可使彎頭內(nèi)外側(cè)變形均勻，獲得較好的壁厚均勻性。西北有色金屬研究院鈦合金研究所在開(kāi)發(fā)某航天用鈦環(huán)形氣瓶?jī)?nèi)襯過(guò)程中，針對(duì)所設(shè)計(jì)的環(huán)管進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬[28]。圖6a、6b分別為采用有限元模擬的環(huán)管成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D[28]。模擬結(jié)果表明，環(huán)管成形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變比較均勻。圖7a為制備的TA2鈦環(huán)形氣瓶?jī)?nèi)襯，其管徑為36 mm，外環(huán)直徑為260 mm，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用該技術(shù)同時(shí)制備了TA15鈦合金大規(guī)格環(huán)形高壓氣瓶，如圖7b所示。該氣瓶管徑為100 mm，外環(huán)直徑為700 mm，爆破壓力達(dá)到70 MPa。

圖6 環(huán)管成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D[28]

圖7 熱推制成形的鈦環(huán)形氣瓶照片

5 熱模鍛成形技術(shù)

熱模鍛是鈦合金加工成形的常用方法之一，該方法充分利用鈦合金高溫下流變應(yīng)力低、易于成形的特性，將其加工成各種形狀的產(chǎn)品。與等溫模鍛相比，熱模鍛的成本更低，生產(chǎn)效率也更高。

開(kāi)始熱模鍛前，需要進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、坯料準(zhǔn)備及熱模鍛工藝參數(shù)的確定。如果按傳統(tǒng)方式通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，往往不夠精確。而采用數(shù)值模擬方法可以在加工成形前發(fā)現(xiàn)模具和工藝設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免人力、物力和時(shí)間的浪費(fèi)。

例如某錐形體由一種新型鈦合金制備，由于缺乏該合金的加工成形經(jīng)驗(yàn)，利用有限元軟件對(duì)其熱模鍛過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。圖8為錐形體熱模鍛的幾何模型示意圖[29]。

圖8 錐形體熱模鍛的幾何模型示意圖[29]

材料成形過(guò)程十分復(fù)雜，為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，可以進(jìn)行一些假設(shè)，如不計(jì)材料的彈性變形，材料完全均質(zhì)且各向同性，體積不可壓縮，變形流動(dòng)服從Levy-Misses流動(dòng)原理。熱模鍛過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在錐體成形過(guò)程中，塑性變形不均勻，尤其是當(dāng)變形進(jìn)入最后階段，坯料變形部分與下模完全貼合，此時(shí)再繼續(xù)施加變形時(shí)，材料將發(fā)生不均勻減薄。因此，在模具設(shè)計(jì)時(shí)要注意下壓限位裝置的設(shè)置。圖9為熱模鍛成形的大規(guī)格鈦合金錐形體。

圖9 熱模鍛成形的大規(guī)格鈦合金錐形體照片

6 結(jié) 語(yǔ)

西北有色金屬研究院經(jīng)過(guò)多年技術(shù)攻關(guān)，針對(duì)特殊的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出了適合鈦合金板、棒、管等加工的多項(xiàng)成形技術(shù)，制備出了不同形狀、規(guī)格及品種的鈦合金復(fù)雜零部件，滿足了多項(xiàng)國(guó)防重點(diǎn)工程對(duì)鈦合金深加工產(chǎn)品的亟需，同時(shí)也推動(dòng)了鈦合金成形技術(shù)的進(jìn)步。

目前，鈦合金成形技術(shù)雖已進(jìn)入工程應(yīng)用階段，并展現(xiàn)出巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，但仍以航空航天等工業(yè)為主，應(yīng)用領(lǐng)域有一定的局限性。如果要廣泛拓展鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域，必須大幅度提高鈦合金成形加工的效率并降低其成本。將傳統(tǒng)加工成形工藝與目前蓬勃發(fā)展的大數(shù)據(jù)人工智能及數(shù)值模擬預(yù)測(cè)等新技術(shù)進(jìn)行深度融合，是推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的有效手段，也將是鈦合金成形技術(shù)的發(fā)展方向。