文／蔡建華，毛小南，李磊·西北有色金屬研究院鈦合金研究所

鈦是在地殼中分布最廣的元素之一，約占地殼總重量的0.6%。在金屬中僅次于鋁、鐵、鎂，居第四位。鈦與鈦合金具有以下優(yōu)良特性：比強(qiáng)度高，與一般的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和高溫合金相當(dāng)，但是其密度只有鋼的57%左右；耐腐蝕性強(qiáng)，鈦是一種化學(xué)活性很高的金屬，在常溫下金屬表面容易形成一層穩(wěn)定性高、附著力強(qiáng)的氧化物或氮化物組成的鈍化膜；低溫性能好，在低溫和超低溫的條件下，能夠保持高強(qiáng)度的同時(shí)，仍然具有足夠的低溫韌性和延展性；生物相容性好，彈性模量低，無磁性，無毒性等。鈦與鈦合金具有以上諸多特點(diǎn)，沖壓成形件廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。本文綜述了鈦與鈦合金沖壓成形的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為鈦與鈦合金的沖壓成形工藝研究和應(yīng)用推廣提供參考。

不同類型鈦合金的沖壓成形能力

按照亞穩(wěn)狀態(tài)下的相組織和β穩(wěn)定元素含量對(duì)鈦合金進(jìn)行分類，鈦合金分為α型、α+β型和β型三大類。

α型鈦合金通常室溫下只含有α相，α相屬于密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)決定了其在室溫變形的特點(diǎn)，與體心立方結(jié)構(gòu)不同，密排六方結(jié)構(gòu)滑移系較少，而且隨著c軸與a軸比值而變化。純鈦的c/a為1.578，主滑移系為，為柱面滑移，此外還有，滑移系，在這些滑移系中完全獨(dú)立的滑移系只有4個(gè)，達(dá)不到米塞斯條件所要求的塑性變形必須的5個(gè)滑移系。但是，由于塑性變形過程中，孿晶{1122}、{1121}和的作用，導(dǎo)致α型鈦合金的變形能力較強(qiáng)，因此，α型鈦合金適合室溫沖壓成形，這類鈦合金包括TA1，TA2，TA3等。

α+β型鈦合金，退火組織為α+β相（初生α相+殘余β相），β相含量一般為5%～40%。α+β型鈦合金中同時(shí)加入了α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素，使α相和β相都得到強(qiáng)化。雖然β相屬于體心立方結(jié)構(gòu)，室溫變形過程中可以開動(dòng)的滑移系較多，但是由于初生α相是在兩相區(qū)較大變形后經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚慝@得的，它與殘余β相之間的Burgers位向關(guān)系已經(jīng)被破壞，此時(shí)的初生α相和殘余β相屬于非共格關(guān)系，初生α相和殘余β相中的滑移系取向隨機(jī)分配；此外，由于初生α相和殘余β相的界面（α/β）兩側(cè)晶格參數(shù)差異較大，界面能較高，變形過程中協(xié)調(diào)性較差，因此α+β型鈦合金的室溫強(qiáng)度較高。主要適用于航空航天結(jié)構(gòu)件等，不適合在室溫下沖壓成形。常用的α+β型鈦合金包括TC4、TC6、TC11和TC21等。

β型鈦合金通常包含亞穩(wěn)定β型鈦合金和穩(wěn)定β型鈦合金。由于穩(wěn)定β型鈦合金比重較大、熔煉比較困難，變形抗力大等，目前該類鈦合金應(yīng)用較少。亞穩(wěn)定β型鈦合金，含有高于臨界濃度的β穩(wěn)定元素，采用空冷或水淬，幾乎可以全部得到亞穩(wěn)定β相。亞穩(wěn)定β相屬于體心立方結(jié)構(gòu)（BCC），亞穩(wěn)定β相滑移方向?yàn)?111>，可能出現(xiàn)的滑移面有{110}、{112}、{123}，如果三組滑移面都能啟動(dòng)，則潛在的滑移系數(shù)目有48個(gè)，其中{110}<111>滑移系12個(gè)；{112}<111>滑移系12個(gè)，{123}<11l>滑移系24個(gè)。因此，亞穩(wěn)定β型鈦合金在退火或固溶狀態(tài)具有非常好的工藝塑性和冷成形性。這類合金主要包括TB2、TB3、TB5和TB8等，它們通常具有優(yōu)良的冷軋和冷成形性，可在室溫下成形中等復(fù)雜的鈑金零件，并可冷鐓鉚釘和螺栓。

綜上所述，α型鈦合金可以通過孿晶協(xié)調(diào)變形，亞穩(wěn)定β型鈦合金β相屬于體心立方結(jié)構(gòu)，可開動(dòng)的滑移系較多，它們是良好的沖壓成形材料。

影響鈦與鈦合金沖壓成形的因素

影響鈦與鈦合金沖壓成形的因素，除了沖壓材料本身微觀晶體結(jié)構(gòu)外，還包括材料的宏觀力學(xué)性能、成形模具和沖壓成形工藝參數(shù)等。

鈦與鈦合金力學(xué)性能的影響

影響鈦與鈦合金沖壓成形的力學(xué)性能主要包括材料的屈強(qiáng)比（Rp/Rm）、延伸率（A）和杯突指數(shù)（IE）等，具體力學(xué)性能如表1所示。

沖壓成形模具的影響

由于鈦與鈦合金的彈性模量小，彎曲能力較差，因此，成形模具凸模和凹模的圓角半徑對(duì)鈦與鈦合金材料的沖壓成形有很大影響。通常凸模圓角半徑≥(4～8)t（t為板材厚度）或者更大，才能避免沖壓過程中材料開裂現(xiàn)象。增大凹模圓角半徑有利于材料的沖壓成形，但不能過大，過大會(huì)造成沖壓材料較早脫離壓邊圈，導(dǎo)致起皺現(xiàn)象提前發(fā)生，但凹模圓角半徑也不能過小，過小會(huì)造成拉裂現(xiàn)象。此外，凸、凹模間隙對(duì)沖壓力、工具磨損、切口表面質(zhì)量以及零件精度會(huì)產(chǎn)生很大影響，所以必須合理設(shè)置凸、凹模間隙，凸、凹模間隙通常按以下公式進(jìn)行計(jì)算：Z=(0.03～0.05)t，其中t為板材厚度（mm），由于鈦與鈦合金的回彈大，為了減小回彈，一般凸、凹模間隙值取下限值。

表1 影響鈦與鈦合金沖壓成形的主要力學(xué)性能

沖壓成形工藝參數(shù)的影響

壓邊間隙、壓邊力、沖壓速率和沖壓溫度對(duì)鈦與鈦合金材料沖壓成形也有很大的影響。大量研究表明，通常鈦與鈦合金材料沖壓成形壓邊間隙為板料厚度的1～1.2倍時(shí)，沖壓成形過程中不會(huì)發(fā)生板材拉裂和起皺現(xiàn)象；壓邊力過小或者過大，都會(huì)造成沖壓材料起皺和破裂；沖壓速率不宜過高，沖壓速率過高，會(huì)造成位錯(cuò)在晶界和相界等缺陷處快速塞積和纏結(jié)，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，此外，也增大了變形的不均勻性，導(dǎo)致塑性變形難以進(jìn)行，材料發(fā)生破裂。因此，沖壓速率通常不宜超過0.25mm/s。與熱沖壓相比，冷沖壓可以降低鈦與鈦合金產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。但是，由于大部分鈦與鈦合金室溫變形抗力較大，不適合室溫沖壓，熱沖壓過程中，原子和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快，沖壓材料塑性明顯提高，開裂傾向減小，同時(shí)由于高溫下的熱作用，消除了材料變形時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減小了回彈量，提高了零件的成形精度，幫助熱成形技術(shù)在鈦與鈦合金上得到了廣泛的應(yīng)用。國外航空航天領(lǐng)域中，鈦與鈦合金沖壓成形件絕大多數(shù)采用熱沖壓成形技術(shù)。

綜上所述，除了鈦與鈦合金材料的微觀晶體結(jié)構(gòu)外，沖壓材料的宏觀力學(xué)性能（屈強(qiáng)比、延伸率、彈性模量、加工硬化指數(shù)、杯突指數(shù)等）對(duì)沖壓成形有很大的影響，屈強(qiáng)比Rp/Rm越小，延伸率A和杯突指數(shù)IE越大，鈦與鈦合金材料的沖壓成形性能越好；選擇合適的凸模和凹模的圓角半徑、壓邊間隙、壓邊力、沖壓速率和沖壓溫度有助于沖壓工序順利完成。熱沖壓有助于提高沖壓材料的塑性變形能力，消除材料變形時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免材料沖壓過程中破裂或起皺，提高沖壓零件成形精度。

鈦與鈦合金沖壓成形工件的應(yīng)用現(xiàn)狀

鈦與鈦合金具有比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。鈦與鈦合金沖壓成形工件的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，不僅應(yīng)用于航空航天、海洋和生物醫(yī)療等，民用鈦合金的比重也在逐漸增大。

航空航天領(lǐng)域

鈦與鈦合金在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛。鈦與鈦合金的沖壓成形工件主要用于航空航天器緊固件、液壓管、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外殼、內(nèi)外整流罩、導(dǎo)向器內(nèi)環(huán)、壓氣機(jī)集氣室和燃料儲(chǔ)存裝置等。

海洋領(lǐng)域

鈦以其輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛、高耐蝕、無磁性等優(yōu)異性能被稱為“海洋金屬”，是海軍工程最有前途的金屬材料，被世界各國廣泛應(yīng)用于水面艦船、水下潛艇、深潛器、水中兵器和通訊設(shè)備等領(lǐng)域。

鈦與鈦合金以其優(yōu)異的綜合性能成為載人艙球殼的最佳材料，歐美等發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)60年代開始采用鈦合金制造深潛器載人艙球殼。為提高載人艙球殼的安全可靠性和結(jié)構(gòu)效益，載人艙球殼大多采用半球殼整體沖壓成形工藝，如法國的6000m“鸚鵡螺號(hào)”、日本的“深海6500”及美國的“新阿爾文號(hào)”載人深潛器。而俄羅斯的“和平號(hào)”載人艙球殼采用瓜瓣焊接方式制備。與瓜瓣焊接球殼相比，整體沖壓成形半球殼的焊縫明顯減少，均勻性、一致性相對(duì)更好，疲勞壽命也會(huì)大幅提高。我國深潛器載人艙球殼研究起步相對(duì)較晚，2015年5月，我國首個(gè)4500m載人潛水器載人球殼在中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所出廠，該球殼采用近α型鈦合金制造，先將鈦合金厚板分瓣沖壓成形，再進(jìn)行組裝并焊接成球，球殼直徑為2.1m，是我國首次利用沖壓成形技術(shù)成功制造的大規(guī)格鈦合金半球殼。

日常生活領(lǐng)域

隨著鈦與鈦合金沖壓成形技術(shù)的不斷提高，以及低成本鈦合金的開發(fā)，鈦與鈦合金沖壓制品在日常生活領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。1953年日本光學(xué)工業(yè)公司將鈦合金沖壓成形件成功應(yīng)用于尼康F相機(jī)焦點(diǎn)快門的金屬簾；1990年推出首架全鈦外殼照相機(jī)；京陶的G1（1994年）和G2（1996年）、富士的APS（1997年）照相機(jī)上都采用了鈦合金沖壓成形件外殼；富士通公司于1999年推出了鈦合金外殼的筆記本電腦INTERTOP CX300；部分手表外殼、手機(jī)外殼、筆筒和水杯等也利用鈦合金取代了傳統(tǒng)材料。此外，西北有色金屬研究院通過沖壓成形技術(shù)研發(fā)出一款重量輕、抗腐蝕性能好、無毒的純鈦鍋（圖1），已經(jīng)進(jìn)入了很多消費(fèi)者的廚房。

圖1 純鈦鍋

其他領(lǐng)域

除了航空航天、海洋和日常生活領(lǐng)域外，鈦與鈦合金沖壓件也應(yīng)用到了生物醫(yī)療和國防軍工等領(lǐng)域。由于鈦與鈦合金有很好的生物相容性，因此，通常被用于心臟起搏器、腦刺激器、脊髓刺激器、迷走神經(jīng)刺激器等植入式有源醫(yī)療器械的外殼。此外，國防領(lǐng)域方面，我國某100mm迫擊炮座板是通過TA7鈦合金板整體沖壓成形得到的，西北有色金屬研究院研制的鈦合金頭盔（圖2）也是通過沖壓成形制成的。

結(jié)束語

鈦與鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，鈦與鈦合金沖壓成形工件廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋、生物醫(yī)療和國防等領(lǐng)域。此外，由于生產(chǎn)工藝的改善和低成本鈦合金的開發(fā)，鈦與鈦合金沖壓制品也逐漸走進(jìn)了人們的日常生活中。因此，怎樣改善鈦與鈦合金沖壓成形性能，提高沖壓制品的成形精度，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，是推動(dòng)鈦與鈦合金沖壓成形技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在，我國科研人員應(yīng)該從以下幾個(gè)方面展開工作：

圖2 鈦合金頭盔

⑴使用有限元仿真模擬技術(shù)，對(duì)鈦與鈦合金材料成形進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，建立沖壓成形數(shù)據(jù)庫，預(yù)測(cè)材料成形過程中的破裂、起皺、減薄和回彈，評(píng)估成形質(zhì)量，及早解決沖壓過程中的問題，確定合適的工藝參數(shù)，縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本；

⑵冷沖壓成形過程難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用熱沖壓技術(shù)，現(xiàn)階段熱沖壓技術(shù)主要采用恒溫加熱。由于沖壓過程中沖壓材料不同部位的變形程度往往不同，因此，可以根據(jù)沖壓材料不同部位變形量的需求采用變溫加熱，從而提高沖壓成形工件的尺寸精度，解決復(fù)雜沖壓工件的生產(chǎn)難點(diǎn)；

⑶與傳統(tǒng)材料相比，鈦與鈦合金具有諸多優(yōu)勢(shì)，需要加大低成本鈦合金的研發(fā)和沖壓制品的推廣應(yīng)用。