鈦合金空心點(diǎn)陣超塑成形/擴(kuò)散連接成形工藝和性能研究

趙 冰，楊 毅，李志強(qiáng)，慕延宏，劉勝京，張 斌，張 超，孫朝陽，劉 楊，王新筑，褚興榮，韓 數(shù)

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3.數(shù)字化塑性成形技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；4.航空工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，漢中 723213；5.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；6.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，重慶 400044；7.山東大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院，威海 264209）

三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)基于仿生學(xué)原理提出，具有較優(yōu)的力學(xué)性能和功能匹配性，其中金屬三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度的特點(diǎn)，是典型的承載/功能一體化結(jié)構(gòu)，能夠滿足很多領(lǐng)域?qū)p量化結(jié)構(gòu)的需求[1]。金屬三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，特別是鈦合金和鈦鋁合金三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，具有高比強(qiáng)度、良好耐腐蝕和耐熱性以及高結(jié)構(gòu)效益的特點(diǎn)，適用于未來高超音速飛行器大面積熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，既可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)隔熱功能，又可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻功能[2]。2000年，NASA 設(shè)立了UEET 計(jì)劃，研究開發(fā)了耐高溫發(fā)動(dòng)機(jī)用三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，例如鈦合金、高溫合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，應(yīng)用對象是超音速尾噴管靜態(tài)組件，包括主動(dòng)操縱面板、尾噴管擋板和側(cè)面板結(jié)構(gòu)等[3]。2008年，美國海軍研究署啟動(dòng)了一項(xiàng)針對三維點(diǎn)陣輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證項(xiàng)目，這種結(jié)構(gòu)由面板與拓?fù)淙S點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)芯體組成，在芯體中有95%的空心體積。結(jié)構(gòu)采用釬焊/擴(kuò)散連接法制備，具有抗壓屈服強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，可用于直升機(jī)防護(hù)裝甲、未來艦艇的魚雷防護(hù)或者是殼體裝甲防護(hù)[4]。

鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)主要的制備方法包括超塑成形/擴(kuò)散連接法 （SPF/DB 法）、穿孔板拉伸塑性變形法、釬焊/擴(kuò)散連接法和增材制造法。前三種方法適用于制造大尺寸、復(fù)雜異形截面結(jié)構(gòu)；增材制造法適合于制造中小尺寸，內(nèi)部形狀復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)[5–7]。SPF/DB 工藝可以制備不同類型的鈦合金有序拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中單層蛋盒和多層蛋盒類似于鈦合金有序開孔泡沫；二維點(diǎn)陣對應(yīng)蜂窩；空心瓦倫結(jié)構(gòu)是典型的三層SPF/DB 結(jié)構(gòu)；三維點(diǎn)陣是空間桁架結(jié)構(gòu)。單層蛋盒和多層蛋盒、空心瓦倫、三維點(diǎn)陣等結(jié)構(gòu)采用三層SPF/DB 工藝制備；二維點(diǎn)陣采用四層SPF/DB 工藝制備；多層二維點(diǎn)陣實(shí)際上是鈦合金有序閉孔泡沫結(jié)構(gòu)，同樣也采用四層SPF/DB 工藝制備，只需要在制備時(shí)根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)高度增加芯板層數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。對不同鈦合金有序拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)超塑成形過程，以及壓縮和彎曲力學(xué)行為進(jìn)行分析，結(jié)果表明，四層結(jié)構(gòu)的超塑成形難度高于三層結(jié)構(gòu)，成形時(shí)間遠(yuǎn)高于其他類型結(jié)構(gòu)，同樣，四層SPF/DB結(jié)構(gòu)的壓縮性能、彎曲性能最高，特別是鈦合金有序閉孔泡沫，不僅具有高的力學(xué)性能，而且變形穩(wěn)定，可以很好地滿足不同的承載需求[8]。傳統(tǒng)制備方法需要采用不同工藝才能實(shí)現(xiàn)多種鈦合金有序拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制備，而SPF/DB 一種工藝方法就可以實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的制備，還可以在一個(gè)工藝過程中制備出不同類型的有序拓?fù)浠祀s結(jié)構(gòu)，例如三維點(diǎn)陣/多層蛋盒、蜂窩/三維點(diǎn)陣、瓦倫/三維點(diǎn)陣等混雜結(jié)構(gòu)，只需要改變止焊劑圖形即可以實(shí)現(xiàn)，充分體現(xiàn)了SPF/DB工藝的高度可設(shè)計(jì)性和高設(shè)計(jì)自由度的特點(diǎn)。在性能等方面，與其他制備方法相比，SPF/DB 工藝制備的鈦合金有序拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料利用率高，原材料采用軋制板材，成形后結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，面板和芯體之間采用大面積擴(kuò)散連接實(shí)現(xiàn)了冶金連接，不存在中間層，具有非常優(yōu)異的抗剪切、抗拉伸性能。SPF/DB 工藝制備的鈦合金三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間是聯(lián)通的，在具有良好力學(xué)性能的同時(shí)，可以在內(nèi)部集成多種功能，例如在內(nèi)部空間通入流動(dòng)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻，填充氣凝膠等隔熱材料實(shí)現(xiàn)隔熱功能，填充陶瓷或者是樹脂基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)裝甲防護(hù)功能，在內(nèi)部空間還可以布置管線，電子元器件，以及作為油箱來存儲(chǔ)燃油[5]。

圖1 SPF/DB 鈦合金有序拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Ordered topological structure of SPF/DB titanium alloy

鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究方面，張彌等[9]采用激光選區(qū)熔覆的方法制備了鈦合金金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，研究了鈦合金三維點(diǎn)陣的彎曲性能，研究結(jié)果表明，面板及桿件均發(fā)生了彎曲變形失效，通過分析不同單胞列數(shù)，發(fā)現(xiàn)列數(shù)越多，邊界影響越小，結(jié)構(gòu)承載能力越強(qiáng)。張錢城等[10]提出一種X 型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，對制備工藝、力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明X 型點(diǎn)陣比普通點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮和剪切峰值強(qiáng)度提高約30%。倪長也等[11]研究了超輕金屬點(diǎn)陣三明治板的抗侵徹性能，研究發(fā)現(xiàn)由于金字塔結(jié)構(gòu)的特殊性，可使彈丸偏航，使得三明治板的抗侵徹性能顯著提高。倪長也等[12]繼續(xù)對金字塔點(diǎn)陣、嵌入陶瓷金字塔點(diǎn)陣、注入環(huán)氧樹脂的陶瓷金字塔點(diǎn)陣等3 種金屬點(diǎn)陣三明治板的抗侵徹性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，注入環(huán)氧樹脂的陶瓷金字塔三明治板具有最高的彈道極限速度，抗侵徹能力最強(qiáng)。

在鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)熱性能研究方面，鄧昊宇等[13]基于熱力學(xué)原理，推導(dǎo)了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)等效計(jì)算公式，提出了熱傳導(dǎo)等效分析模型的建模方法，針對功能與性能要求下的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，利用混合整數(shù)序列二次規(guī)劃 （MISQP）算法進(jìn)行迭代計(jì)算，得到了質(zhì)量最輕并滿足熱性能要求的最優(yōu)方案。Yang 等[14]對比分析了Kagome 點(diǎn)陣和四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的散熱性能，結(jié)果表明，與四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比，Kagome 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能。特別是當(dāng)冷卻空氣沿x軸方向流動(dòng)時(shí)，與四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比，Kagome 點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的總體Nusselt 數(shù)高出8%～37%。Kagome 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有更高的散熱性能，是由于其中心頂點(diǎn)可以作為渦流發(fā)生器，不僅擾亂了主流，還引起了更大程度的流動(dòng)停滯和分離。復(fù)雜的流體流動(dòng)行為增強(qiáng)了端壁和筋條上的傳熱，同時(shí)在x軸流動(dòng)方向上造成的壓降幾乎是四面體點(diǎn)陣壓降的兩倍。

本文采用SPF/DB 工藝制備了不同構(gòu)型的TA15、TA32 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，并對其力學(xué)性能和隔熱功能進(jìn)行了研究，為鈦合金空心點(diǎn)陣在未來承載/隔熱結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供了一定支撐。

1 材料和試驗(yàn)

1.1 材料

本文中采用的原材料是TA15、TA32 鈦合金細(xì)晶板材，其中TA15 的名義成分為Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V，使用溫度一般為400 ℃，TA32 的名義成分為Ti–5.5Al–3.5Sn–3Zr–1Mo–0.5 Nb–0.7Ta–0.3Si，使用溫度為550 ℃，具有比TA15 更好的抗氧化性[15–16]。兩種鈦合金板材的厚度分為1 mm、2 mm，TA15 鈦合金板材的微觀組織如圖2所示，主要由等軸α 相和少量α/β 片層組織組成。TA32 鈦合金板材的微觀組織如圖3所示，其中白色β 相晶粒呈等軸或長條狀，沿灰白色等軸α 相晶粒邊界分布，兩相晶粒沿板材軋制方向取向，此外α 相基體與α/β 相邊界彌散分布著大量細(xì)小的（TiZr）5Si3硅化物。

圖2 TA15 鈦合金板材微觀組織Fig.2 Microstructure of TA15 titanium alloy plate

圖3 TA32 鈦合金板材微觀組織Fig.3 Microstructure of TA32 titanium alloy plate

1.2 試驗(yàn)

對等軸細(xì)晶組織的TA15、TA32鈦合金進(jìn)行單軸超塑性拉伸，試樣尺寸如圖4所示，試件厚度均為1 mm。超塑性拉伸試驗(yàn)在Insrton–5982 型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)配備水冷式1100 ℃高溫加熱爐。采用K 型熱電偶實(shí)時(shí)測量試件和爐腔溫度。為了獲得材料的本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)行恒應(yīng)變速率拉伸。采用SPF/DB 工藝制備鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，在上面切取單元件，在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，其中平壓試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1453—2005 夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1456—2005 夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法，圖5是平壓試驗(yàn)圖，圖6是三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)圖。

圖4 超塑拉伸試件尺寸（mm）Fig.4 Superplastic tensile specimen size (mm)

圖5 帶球形支座的壓縮試件和夾具Fig.5 Spherical bearing compression test-piece and fixture

對鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)件的隔熱性能進(jìn)行測試，在空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部空腔填充氣凝膠或者不填充氣凝膠，對夾層結(jié)構(gòu)外表面加熱1 h 后，測量夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的溫度差，評價(jià)夾層結(jié)構(gòu)隔熱效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 超塑性

圖7是TA32 鈦合金試樣超塑性拉伸后試件，由表1可知，在溫度為920～960 ℃，應(yīng)變速率為1×10–3～3×10–3s–1條件下，延伸率達(dá)到809%～950%，表現(xiàn)出良好的超塑性；在工藝參數(shù)為940 ℃/10–3s–1條件下，最大延伸率達(dá)到950%，穩(wěn)態(tài)流變階段長，材料變形過程中表現(xiàn)出良好的抗頸縮能力。圖8是TA15 的超塑性拉伸試件，由表2可知，在高溫條件下TA15 表現(xiàn)出良好的超塑性，在880℃/10–3s–1條件下，最大延伸率達(dá)到1450%。

圖7 TA32 鈦合金高溫拉伸斷后試樣Fig.7 TA32 titanium alloy high temperature tensile break sample

圖8 TA15 鈦合金高溫拉伸斷后試樣Fig.8 TA15 titanium alloy high temperature tensile break sample

表1 不同溫度和應(yīng)變速率條件下，TA32 的斷后延伸率Table 1 TA32 break elongation after different temperatures and strain rates %

表2 不同溫度和應(yīng)變速率條件下，TA15 的斷后延伸率Table 2 TA15 break elongation after different temperatures and strain rates %

圖9是TA32、TA15 鈦合金在工藝參數(shù)為920 ℃/1.0×10–3s–1時(shí)的真應(yīng)力–真應(yīng)變曲線，可知，TA32 的流動(dòng)應(yīng)力最高達(dá)到60 MPa 以上，而TA15 鈦合金只有13～15 MPa，TA32 的變形抗力遠(yuǎn)高于TA15 鈦合金。兩種鈦合金的變形規(guī)律也存在很大不同，TA32 鈦合金在拉伸初期流動(dòng)應(yīng)力迅速升高，這是由于材料在外加載荷的作用下發(fā)生塑性變形，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，晶內(nèi)位錯(cuò)迅速增殖，不同滑移系間的位錯(cuò)相互糾纏，加工硬化效應(yīng)強(qiáng)于高溫動(dòng)態(tài)回復(fù)效應(yīng)。隨著拉伸繼續(xù)進(jìn)行 （應(yīng)變約為0.08～0.5），拉伸初期材料內(nèi)部積聚的畸變能驅(qū)使發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，大角度晶界增多而小尺寸晶粒形核，軟化效應(yīng)不斷增強(qiáng)，流動(dòng)應(yīng)力開始大幅降低。TA15 鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力曲線呈穩(wěn)定變形特征，材料的軟化和硬化效應(yīng)達(dá)到平衡，獲得了高延伸率，達(dá)到1094%。圖10為鈦合金920 ℃/1.0×10–3s–1超塑變形后斷口附近的微觀組織，可知，超塑變形后的微觀組織仍然是等軸細(xì)晶組織，晶粒尺寸約為10～20 μm。在TA32 鈦合金中分布著很多細(xì)小的Ti5Si3強(qiáng)化相，在TA15 鈦合金中則很少，使TA32 變形抗力遠(yuǎn)高于TA15。Ti5Si3強(qiáng)化相在超塑拉伸過程中，對位錯(cuò)的滑移和攀移起到阻礙作用，更容易產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，材料更容易失效，導(dǎo)致TA32 的超塑延伸率一般低于TA15。

圖9 TA15、TA32 拉伸曲線Fig.9 TA15,TA32 tensile curves

圖10 鈦合金超塑拉伸后的微觀組織Fig.10 Microstructure after superplastic tensile of titanium alloy

2.2 擴(kuò)散連接性

圖11是同種、異種鈦合金材料的擴(kuò)散連接界面，在工藝參數(shù)為920 ℃/1.5～2.0 MPa/2 h 時(shí)，無論同種材料，還是異種材料鈦合金擴(kuò)散連接，均獲得了冶金連接界面。TA15/TA15 界面完全融合為一體，界面兩側(cè)的組織沒有明顯的區(qū)別，擴(kuò)散焊合率接近100%。TA15/TA32 擴(kuò)散連接界面兩側(cè)的組織不同，主要是原材料的組織狀態(tài)不同，其中TA32 內(nèi)部組織存在較多片層組織，主要是一些β 轉(zhuǎn)變組織。在TA15 內(nèi)部則主要是等軸組織，片層狀β 轉(zhuǎn)變組織較少。這說明，在較好的工藝參數(shù)條件下，同種、異種TA15、TA32 鈦合金均可以獲得良好的擴(kuò)散連接界面。

圖11 同種、異種材料鈦合金擴(kuò)散連接界面Fig.11 The same,dissimilar materials of titanium alloy diffusion bonding interface

2.3 SPF/DB 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

采用超塑成形制備TA15 鈦合金三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，首先切割出預(yù)制網(wǎng)狀板，單元類型為金字塔型、四面體型和X 型點(diǎn)陣，單元尺寸為40 mm。圖12是涂覆了止焊劑的芯板和面板。將面板、芯板疊層后擴(kuò)散連接，工藝參數(shù)為900～920 ℃/2 MPa/2 h，然后進(jìn)行超塑成形，成形后的結(jié)構(gòu)件如圖13所示。圖14和15 是擴(kuò)散連接界面和筋條的微觀組織，擴(kuò)散連接界面周圍的組織相互擴(kuò)散滲透，融合為一體，焊合率超過95%，且組織細(xì)小，筋條組織仍然為等軸細(xì)晶組織，與原始板材相比較，晶粒尺寸略有長大。

圖12 不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型的TA15 鈦合金芯板及止焊劑Fig.12 TA15 titanium alloy core sheet and stop-off patterns with different structural configurations

圖13 SPF/DB 工藝制備的不同類型TA15 鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig.13 Different types of TA15 titanium alloy lattice structure prepared by SPF/DB process

圖14 TA15 鈦合金點(diǎn)陣擴(kuò)散界面組織Fig.14 TA15 titanium alloy lattice diffusion interface structure

圖15 TA15 鈦合金點(diǎn)陣芯體筋條組織Fig.15 TA15 titanium alloy lattice core body rib structure

通過改變止焊劑圖形和芯板下料圖形，可以采用三層板材制備出Kagome 型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如圖16所示。圖17是采用TA32/TA15 成形的隔熱結(jié)構(gòu)典型樣件，其中下面板和芯板采用TA15 鈦合金，上面板采用TA32鈦合金，厚度均為1 mm。圖18是大曲率復(fù)雜曲面夾層結(jié)構(gòu)，采用擴(kuò)散連接+預(yù)成形+超塑成形的方案制造，外形尺寸為740 mm×640 mm×155 mm，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為單元高度20 mm、單元尺寸40 mm、筋條寬度4 mm、芯板厚度1 mm。芯板與面板疊層后進(jìn)行擴(kuò)散連接，工藝參數(shù)為920 ℃/2 MPa/2 h，然后進(jìn)行預(yù)成形，工藝參數(shù)為900～920 ℃/0.5 h，最后對預(yù)制坯進(jìn)行超塑成形，工藝參數(shù)為920 ℃/2 MPa/2 h。成形后典型樣件的外表面未見溝槽、褶皺等缺陷，內(nèi)部筋條完整，驗(yàn)證了工藝的可行性。對典型樣件采用模具進(jìn)行平壓，壓縮強(qiáng)度達(dá)到4 MPa 時(shí)，筋條未發(fā)生塑性變形、屈曲變形等失效，表現(xiàn)出良好的承載性能。

圖16 四層TA15 鈦合金Kagome 型空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig.16 Four layer TA15 titanium alloy Kagome hollow lattice

圖17 鈦合金艙段蒙皮點(diǎn)陣樣件Fig.17 Titanium alloy compartment skin lattice samples

圖18 超塑成形后的大尺寸TA32 鈦合金典型樣件Fig.18 Large size typical TA32 titanium alloy samples by superplastic forming

2.4 SPF/DB 空心筋條鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

通過SPF/DB 工藝制備空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，芯體的筋條是實(shí)心的，截面形狀為矩形，實(shí)際上點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)芯體的筋條為空心結(jié)構(gòu)時(shí)，具有最佳的力學(xué)性能，目前鮮見國內(nèi)外研究者采用SPF/DB 工藝制備出空心筋條點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。為了制備空心筋條點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，將芯板分為兩半帶圓形凹槽的筋條，如圖19和20所示，然后按照下面板、對開芯板、上面板的順序組合成預(yù)制坯，采用先擴(kuò)散連接后超塑成形的工藝加工出空心筋條點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如圖21所示，其中面板和芯板擴(kuò)散連接后厚度均為4 mm，單元尺寸為50 mm。

圖19 TA15 鈦合金對開芯板Fig.19 TA15 titanium alloy split core sheet

圖20 TA15 鈦合金組合后的對開芯板Fig.20 Split core sheet of TA15 titanium alloy after combination

圖21 TA15 鈦合金空心筋條點(diǎn)陣的內(nèi)部空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig.21 Internal hollow rib structure of TA15 titanium alloy hollow lattice

2.5 節(jié)點(diǎn)界面無損檢測

鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位置的擴(kuò)散連接質(zhì)量直接影響其最終性能，采用微觀組織分析方法評價(jià)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散連接質(zhì)量，需要破壞零件，也不能夠檢測所有位置，超聲顯微是一種有效的無損檢測方法[17–20]。針對鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，采用水浸聚焦高頻超聲，對空心點(diǎn)陣擴(kuò)散連接界面焊合率進(jìn)行評價(jià)。超聲檢測系統(tǒng)包括OKOS 高頻超聲系統(tǒng)、GE-50 MHz水浸聚焦超聲換能器、檢測工裝，檢測系統(tǒng)如圖22（a）所示；采用高頻超聲水浸C 掃描檢測技術(shù)，掃查路徑為“弓”字形，如圖22（b）所示，檢測模式為脈沖反射法。

圖22 水浸C 掃描設(shè)備及原理示意圖Fig.22 Water C-scanning equipment and principle diagram

選用50 MHz 的換能器，采用水浸聚焦的聲波激勵(lì)方式，使超聲波聲束經(jīng)水–合金截面聚焦在焊接界面位置，聚焦聲束有效半徑小，焊接面邊界面識(shí)別精度高。對空心點(diǎn)陣上、下表面分別進(jìn)行水浸C 掃描。圖23是被檢測的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)件，圖24是零件上（A）、下（B）表面水浸C 掃描圖（其中白色區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)外蒙皮區(qū)域，紅色虛線框的為外蒙皮底面回波信號）。由圖可知，鈦合金空心點(diǎn)陣擴(kuò)散連接節(jié)點(diǎn)規(guī)則分布于上、下表面，每個(gè)節(jié)點(diǎn)成像邊界清晰，擴(kuò)散連接效果良好。

圖23 TA15 鈦合金試驗(yàn)件Fig.23 TA15 titanium alloy test pieces

圖24 TA15 鈦合金空心點(diǎn)陣焊合率超聲C 掃描結(jié)果Fig.24 Ultrasonic C-scan results of TA15 titanium alloy hollow lattice welding rate

2.6 平壓性能

2.6.1 仿真分析

對不同幾何參數(shù)的金字塔型TA15 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮過程進(jìn)行有限元分析，如圖25所示，幾何參數(shù)包括筋條寬度、單元尺寸、芯板和面板厚度?？芍蟛糠制綁哼^程呈現(xiàn)波動(dòng)特征，這主要是由于在壓縮過程中筋條發(fā)生多次屈曲變形，隨著筋條屈曲變形，與面板接觸后，面板之間的筋條長度越來越短，導(dǎo)致壓縮載荷總體是上升的。隨著筋條寬度增加，相對彈性模量略有升高，但變化不明顯，相對壓縮強(qiáng)度則隨著筋條寬度增加顯著升高。隨著單元尺寸增加，相對彈性模量和壓縮強(qiáng)度都會(huì)升高。隨著芯板厚度增加，相對彈性模量變化很小，而相對壓縮強(qiáng)度則大致呈現(xiàn)線性增長。面板厚度對相對彈性模量和壓縮強(qiáng)度的影響都比較小。

圖25 幾何參數(shù)對金字塔型TA15 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)平壓性能影響Fig.25 Effects of geometric parameters on flat compression performance of pyramid type TA15 titanium alloy hollow lattice structure

2.6.2 試驗(yàn)分析

對不同幾何參數(shù)的金字塔型TA15 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行平壓試驗(yàn)，幾何參數(shù)為單元尺寸40 mm，筋條寬度4 mm，面板和芯板厚度分別為1 mm 和2 mm，單元類型是金字塔型，如表3所示，芯板和面板厚度均為1 mm 時(shí)的壓縮曲線，平壓強(qiáng)度為6.48～6.73 MPa，在壓縮過程中出現(xiàn)了筋條的彎曲和斷裂；當(dāng)面板和芯板厚度均為2 mm，單元尺寸為40 mm 時(shí)，強(qiáng)度為8.99～11.14 MPa；當(dāng)單元尺寸減小為30 mm，強(qiáng)度為19.79～23.83 MPa。由此可見，減小單元尺寸可以顯著提高空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮強(qiáng)度，但同時(shí)筋條與面板夾角增加，也增加了成形難度和面板出現(xiàn)溝槽的風(fēng)險(xiǎn)。對典型鈦合金空心點(diǎn)陣隔熱結(jié)構(gòu)件進(jìn)行平壓性能測試，壓縮強(qiáng)度達(dá)到3.35 MPa 時(shí)，未發(fā)生破壞，表現(xiàn)出良好的承載性能。

表3 平壓性能Table 3 Flat performance

2.7 彎曲性能

2.7.1 仿真分析

對金字塔型TA15 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲性能進(jìn)行分析，如圖26所示，隨著芯板厚度增加，相對彎曲模量增加，但變化不明顯，相對彎曲強(qiáng)度也會(huì)增加，芯板厚度為2 mm、3 mm 時(shí)，相對彎曲強(qiáng)度先升高后下降，在其他芯板厚度時(shí)彎曲強(qiáng)度沒有出現(xiàn)此類現(xiàn)象；隨著筋條寬度增加，相對彎曲模量增加，相對彎曲強(qiáng)度基本呈線性增加；隨著單元尺寸減小，相對彎曲彈性模量增加，但是單元尺寸為20 mm、30 mm 的差別很小，相對彎曲強(qiáng)度隨著單元尺寸減小而增加，在單元尺寸為40 mm、50 mm 時(shí)，相對彎曲強(qiáng)度差別較??；當(dāng)面板厚度增加到3 mm 時(shí)，相對彎曲模量和強(qiáng)度顯著提高。

圖26 金字塔型TA15 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲性能Fig.26 Three-point bending property of pyramid type TA15 titanium alloy hollow lattice structure

2.7.2 試驗(yàn)分析

圖27是金字塔型TA15 空心點(diǎn)陣試驗(yàn)件的彎曲載荷–位移曲線，在初始階段主要是彈性變形，隨著載荷增大，筋條發(fā)生屈服，面板發(fā)生局部塌陷，隨著變形程度增加，彎曲載荷先下降后逐漸上升。對不同幾何參數(shù)試驗(yàn)件的彎曲性能進(jìn)行測試，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)為面板和芯板厚度2 mm，筋條寬度4 mm，單元尺寸為30 mm 和40 mm。彎曲強(qiáng)度如表4所示，當(dāng)單元尺寸為40 mm 時(shí)，彎曲強(qiáng)度為324.41～411.81 MPa；當(dāng)單元尺寸減小為30 mm時(shí)，彎曲強(qiáng)度為297.98～596.00 MPa，可見，減小單元尺寸可顯著提高空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度。

表4 試件彎曲性能Table 4 Specimen bending performance

圖27 試驗(yàn)過程計(jì)算機(jī)記錄的載荷–位移曲線Fig.27 Load-displacement curve recorded by computer during the experimental process

2.8 沖擊性能

采用英國帝國理工大學(xué)的氣壓沖擊試驗(yàn)設(shè)備測試金字塔型TC4 鈦合金空心點(diǎn)陣的抗沖擊性能，其中氣壓沖擊彈頭尺寸為Ф9.9 mm×20 mm，重量約為118 g，沖擊初速度為97.1 m/s。圖28是1 號試件沖擊前后外觀形貌，其幾何參數(shù)為單元尺寸30 mm，筋條寬度4 mm，面板和芯板厚度1 mm?？芍? 號試件的面板上產(chǎn)生裂紋，裂紋位于子彈沖擊節(jié)點(diǎn)的邊緣位置。芯板的筋條發(fā)生了屈曲變形，少量筋條發(fā)生了斷裂。與子彈接觸的沖擊試件前面板發(fā)生了變形，但前后面板未接觸，說明鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)通過自身變形吸能，承受住子彈的沖擊載荷。圖29是沖擊前后的2 號試件，該試樣與1 號試樣具有相同的幾何參數(shù)，在前面板上未出現(xiàn)裂紋，筋條大部分發(fā)生了屈曲變形，少量發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能。圖30是沖擊后的3 號試件，其單元尺寸為40 mm，在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的面板上，沿著筋條方向產(chǎn)生了裂紋。芯板產(chǎn)生了屈曲變形，但筋條未斷裂，可見單元尺寸增加后，面板的抗沖擊能力降低，但是筋條通過屈曲變形，使得結(jié)構(gòu)吸能能力提高。子彈沖擊后，將面板沖裂，并且撞擊到后面的面板被反彈回來。

圖28 1 號試件沖擊前后的外形Fig.28 Shape before and after impact of test 1

圖29 2 號試件沖擊前后的外形Fig.29 Shape before and after impact of test 2

圖30 3 號試件沖擊前后的外形Fig.30 Shape before and after impact of test 3

2.9 隔熱性能

氣凝膠是一種輕質(zhì)隔熱材料，其內(nèi)部80%以上是空氣，將其填充到鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空腔質(zhì)量輕，同時(shí)具有非常好的隔熱效果。常用的氣凝膠為硅氣凝膠[18–19，24]，氣凝膠的制備包括超臨界干燥和常壓干燥兩種工藝，本文中采用超臨界干燥方法制備硅基氣凝膠[21–24]。將干燥后定形的氣凝膠塊體填充入空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部封閉空腔的難度較大，為了解決這個(gè)問題，將氣凝膠塊體先破碎成粉末，再將粉末灌注入鈦合金空心點(diǎn)陣的空腔中，其中烘干分為兩個(gè)階段，工藝參數(shù)分別為50 ℃烘干1 h+90 ℃烘干1 h，50 ℃烘干2 h+90 ℃烘干2 h。將烘干后的氣凝膠粉填充入內(nèi)部空腔，填充過程中同時(shí)進(jìn)行振實(shí)，根據(jù)實(shí)際可填充材料重量與理論可填充材料重量計(jì)算出氣凝膠粉末的填充密實(shí)度為88.14%。圖31是氣凝膠填充過程。

圖31 氣凝膠填充和振實(shí)Fig.31 Aerogel filling and compaction

對有效尺寸為326 mm×200 mm×30 mm 的典型試驗(yàn)件填充氣凝膠，其中試驗(yàn)件A 不填充氣凝膠粉末，試驗(yàn)件B、C 填充氣凝膠粉末。環(huán)境溫度分為兩種情況，一種情況是保溫空腔環(huán)境，是將熱面單面加熱至設(shè)定溫度，冷面處于沒有加熱的空間，從熱面?zhèn)鬟f過來的熱量不向外傳遞；另一種情況是自然空氣環(huán)境，在熱面單面加熱至設(shè)定溫度，冷面與自然空氣環(huán)境接觸，從熱面?zhèn)鬟f來的熱量與空氣進(jìn)行熱交換。

試驗(yàn)件加熱升溫速率為20 ℃/min，目標(biāo)溫度分別為200 ℃、400 ℃，保溫時(shí)間為1 h。表5是經(jīng)過高溫加熱后穩(wěn)定的溫度值，可知，保溫空腔環(huán)境的隔熱效果低于自然空氣環(huán)境，在溫度為200 ℃時(shí)，隔熱溫度差別較小，保溫空腔環(huán)境隔熱溫差為90～111.1 ℃，自然空氣環(huán)境隔熱溫差為139.4～157.6 ℃。在溫度為400 ℃時(shí)，隔熱溫差比較明顯，保溫空腔環(huán)境隔熱溫差為116.2～197.3 ℃，自然空氣環(huán)境隔熱溫差為276.3～310 ℃。同樣地，在熱面溫度為200 ℃時(shí)，填充氣凝膠和未填充氣凝膠情況相比，隔熱溫差提高了8.7～21.1 ℃，當(dāng)熱面溫度提高至400 ℃時(shí)，隔熱溫度差提高了31.5～81.1 ℃，越是封閉環(huán)境，隔熱效果越明顯。

表5 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)隔熱性能Table 5 Thermal insulation performance of titanium alloy hollow lattice structure

3 結(jié)論

SPF/DB 鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的承載性能，特別是具有良好的抗蒙皮拉伸和抗剪切性能。同時(shí)，鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)還具有良好的隔熱效果，在填充了氣凝膠粉末后，進(jìn)一步提高了隔熱效果，達(dá)到了最初對該類結(jié)構(gòu)件的設(shè)想。通過研究，可以得出以下結(jié)論。

（1）TA15、TA32 鈦合金均具有優(yōu)異的超塑性，最大延伸率分別達(dá)到1450%、950%，TA15 鈦合金具有更優(yōu)越的超塑性，流動(dòng)應(yīng)力也更低。

（2）在工藝參數(shù)為：920 ℃/1.5～2.0 MPa/2 h 區(qū)間內(nèi)，TA15/TA15、TA15/TA32、TA32/TA32 均獲得了良好的擴(kuò)散連接界面。

（3）在工藝參數(shù)為920 ℃/2 MPa/2 h 條件下，可以制備四層鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜曲面空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、TA15/TA32 隔熱結(jié)構(gòu)件。

（4）采用帶凹槽對開芯板擴(kuò)散連接后超塑成形的方法，可以制備出空心管筋條的鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

（5）在單元尺寸為40 mm，筋條寬度為4 mm，芯板和面板厚度為1 mm，TA15 鈦合金的壓縮強(qiáng)度為6.48～6.73 MPa；當(dāng)面板和芯板厚度均為2 mm，壓縮強(qiáng)度為8.99～11.14 MPa，單元尺寸減小為30 mm 時(shí)，壓縮強(qiáng)度為19.79～23.83 MPa。同樣地，筋條寬度為4 mm，當(dāng)單元尺寸為40 mm 時(shí)，彎曲強(qiáng)度為324.41～411.81 MPa，當(dāng)單元尺寸減小為30 mm 時(shí)，彎曲強(qiáng)度為297.98～596 MPa。單元尺寸30 mm，筋條寬度4 mm，面板和芯板厚度1 mm 的金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，彈頭沖擊初速度為97.1 m/s 時(shí)，筋條發(fā)生屈曲變形，筋條和面板未發(fā)生破裂。

（6） 在鈦合金空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的空腔內(nèi)部填充入氣凝膠粉，經(jīng)過振實(shí)后獲得了88.14%的致密度，隔熱性能測試表明，填充氣凝膠粉末比不填充氣凝膠具有更好的隔熱性能，在400 ℃/1 h 條件下，隔熱溫差達(dá)到276.3～310 ℃。