邵 威, 鄧沛然, 仇健桐, 楊 瑾

(上海工程技術大學 材料工程學院, 上海 201620)

鈦合金Ti-6Al-4V板材具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點,被廣泛應用于航空航天工業(yè)、船舶和化學工業(yè)等領域[1-4].但Ti-6Al-4V板材成本高[5],室溫下屈強比大,難以加工且回彈嚴重,這使其使用和發(fā)展受到一定限制[3].

鈦合金板材拉深成形溫度主要集中在550～900 ℃[6-7].目前,對于不同溫度下Ti-6Al-4V薄板成形性能缺乏詳細研究.因此,有必要補充Ti-6Al-4V合金薄板在不同溫度下成形性研究,以期探尋出拉深成形臨界溫度來支持各種成形方案,同時減少生產(chǎn)能耗.此外,之前拉深研究工作多采用在模外加熱坯料然后轉移到模內進行拉深的方式,這使得坯料在開始拉深前產(chǎn)生較大溫度變化,影響試驗準確性.為提高準確度,本研究采用自行設計模內加熱坯料方式來進行研究.

在25～500 ℃下,對Ti-6Al-4V薄板力學性能和成形性通過單向拉伸試驗和模內加熱拉深成形試驗進行研究.使用掃描電子顯微鏡(SEM)分析拉伸試驗中不同溫度下斷口微觀組織,計算成形件極限拉深系數(shù)來判斷拉深成形性能,測量拉深件硬度以及厚度分布來判斷成形件質量.

1 試驗工作

1.1 材料

研究選用0.8 mm厚高強熱軋Ti-6Al-4V合金薄板(中國寶雞鈦業(yè)).該材料為兩相合金,由α相和β相組成,主要化學成分(質量分數(shù),全文同)見表1,原始材料強化相β相占比約為9.5%[7].

表1 Ti-6Al-4V合金化學成分Table 1 Chemical composition of Ti-6Al-4V alloy %

1.2 單軸拉伸試驗

根據(jù)國家標準GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》制造拉伸試樣,拉伸試樣尺寸如圖1所示.由于所使用板料為熱軋板,組織為等軸組織,兩相分布均勻,各向異性大大低于冷軋板,因此本試驗僅沿板料軋制方向使用線切割方式切割試樣.使用Gleeble 3800熱力模擬試驗機在25、100、200、300、400和500 ℃下進行單軸拉伸試驗,恒定應變速率為4×10-3s-1,試驗環(huán)境為真空.將樣品以2 ℃/s速率加熱至測試溫度后保溫1 min變形.失效后,將樣品用外置冷卻氣槍冷卻至室溫,平均冷卻速率為20 ℃/s.每次測試進行3次以保證重復性.

1.3 微觀結構分析

拉伸試驗結束后,迅速將斷口部分保留完整并 切割成合適大小樣片,清洗、烘干并保存[8].通過SEM研究不同溫度下Ti-6Al-4V合金拉伸失效樣件斷口形貌.

圖1 單軸拉伸試樣幾何形狀Fig.1 Geometry of uniaxial tension specimen

1.4 鈦合金拉深試驗

為驗證所提出技術可行性,在25～500 ℃下進行拉深試驗.試驗在H1F60伺服壓力機上進行.試驗臺經(jīng)過特殊設計,可以在高溫下進行拉深操作.H13模具鋼用于制造凹模、凸模和壓邊板.自主設計模內加熱裝置,如圖2所示.采用高頻感應加熱設備控制溫度和加熱坯料,通過冷卻塔水循環(huán)防止過熱,通過熱電偶監(jiān)測溫度.

圖2 熱成形模具示意圖Fig.2 Schematic diagram of warm forming mold

模內加熱坯料可避免模外加熱后轉移坯料導致溫度下降且減少氧化程度.使用電火花線切割工藝加工圓形坯料,以獲得高精度和光潔度.根據(jù)模具尺寸,試驗圓形坯料最小直徑選擇為40 mm.以溫度、壓邊力、沖壓速度和潤滑條件為主要變量進行試驗.以2 ℃/s速率加熱到所需溫度,保溫3 min后進行拉深操作.每個尺寸向下拉深6個圓片.極限拉深系數(shù)計算公式為

mmin=(dmale+t)/Dmax

(1)

式中:mmin為極限拉深系數(shù);dmale為凸模直徑;t為板料厚度;Dmax為能夠成形的最大坯料直徑.極限拉深系數(shù)反映筒形件拉深最大可能變形程度,數(shù)值越小,材料拉深性能越好.對成形拉深件使用線切割工藝切割為對稱兩半,并從中心朝向杯壁測量10個點厚度值,如圖3所示.

圖3 厚度測量點Fig.3 Thickness measurement points

2 結果與討論

2.1 Ti-6Al-4V合金流動行為

恒定應變速率為4×10-3s-1,25～500 ℃ Ti-6Al-4V合金應力—應變曲線如圖4所示.

圖4 Ti-6Al-4V試樣應力—應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of Ti-6Al-4V specimen

由圖可知不同溫度下應力—應變曲線具有相同變化趨勢.在開始階段,隨應變增加,流動應力迅速提高,在應變達到一定大小后,流動應力增長迅速放緩.當流動應力達到峰值后,隨應變增加,流動應力迅速減小直至試樣斷裂.各溫度下Ti-6Al-4V薄板平均屈服強度和平均抗拉強度見表2.在應變速率一定條件下,隨溫度升高,材料平均抗拉強度降低,從25 ℃時1 288.22 MPa下降到500 ℃時699.12 MPa.

不同溫度下試樣延伸率變化如圖5所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn),在200 ℃以下時伸長率變化很小.300 ℃時,伸長率從25 ℃時16.67%提高到20.05%,說明在25～300 ℃時,材料對溫度并不敏感,這種現(xiàn)象與位錯流動性有關,較低溫度下第二相粒子對位錯阻礙作用大,導致較小延伸率和較大流動應力.

表2 Ti-6Al-4V薄板材料性能Table 2 Material properties of Ti-6Al-4V sheet

圖5 Ti-6Al-4V試樣延伸性Fig.5 Extensibility of Ti-6Al-4V specimen

2.2 斷口

25和300 ℃時拉伸件斷口圖如圖6所示.由圖6(a)可見,25 ℃時,在較低放大率斷口圖像中,斷裂邊緣整體看起來較為平直;由圖6(b)可見,25 ℃斷口在更高放大率下出現(xiàn)不同尺寸和形狀的淺層凹坑,這是由于β相粒子與α相脫離所致,塑性變形過程中,位錯在β相粒子周圍塞積嚴重,材料難以流動,宏觀斷口表現(xiàn)出脆性斷裂特征;由圖6(c)可見,300 ℃較低放大率斷口圖像中斷口截面較25 ℃時有縮小趨勢;由圖6(d)可見,較高放大率下300 ℃斷口的凹坑尺寸增大,這是由于隨著溫度升高,位錯活動能力增強,在β相周圍塞積有所減弱并能夠較順利繞過β相,表現(xiàn)出一定韌性斷裂特征,宏觀斷口開始出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象.

2.3 鈦合金拉深

2.3.1 溫度對拉深成形的影響

Badr[3]研究指出在室溫下不能對Ti-6Al-4V進行拉深成形.因此,試驗溫度設定從100 ℃開始.設定沖壓工藝參數(shù):壓邊力為10 kN;沖壓速度為50%(22 mm/s).試驗使用一般機械潤滑油潤滑.

圖6 不同溫度斷口圖Fig.6 Fracture diagram at different temperature

對直徑為40 mm坯料進行拉深試驗.試驗結果顯示拉深件在100、150、200和250 ℃時均發(fā)生嚴重破裂,說明在此溫度范圍內,Ti-6Al-4V薄板對溫度并不敏感.當溫度升至300 ℃時,沖壓6件坯料中有5件拉深成形,典型拉深樣件如圖7所示.當溫度為350、400、450和500 ℃時,所有坯料均可成功成形.加大坯料直徑尺寸,每次增加1.25 mm,探尋300 ℃下Ti-6Al-4V薄板極限拉深系數(shù).試驗發(fā)現(xiàn)坯料直徑為41.25 mm時,6個拉深件中3個成功成形,3個出現(xiàn)裂紋;坯料直徑為42.5 mm時,6個拉深件都出現(xiàn)裂紋;坯料直徑尺寸為43.75 mm時,6個拉深件都發(fā)生破裂.因此,直徑41.25 mm是Ti-6Al-4V圓片在300 ℃下的極限拉深尺寸.根據(jù)式(1)求得此條件下Ti-6Al-4V薄板極限拉深系數(shù)為0.656,顯示出較差拉深成形性.這主要是因為Ti-6Al-4V第二相占比較高,強度較高較硬,較低溫度下位錯很難切過或繞過堅硬的第二相,使得Ti-6Al-4V塑性很差.

圖7 升溫條件下拉深件Fig.7 Drawing parts under heating process

測定350、400、450和500 ℃時Ti-6Al-4V薄板極限拉深系數(shù),試驗結果如圖8所示.從圖中可以看出,在其他沖壓工藝參數(shù)不變情況下,隨著溫度升高,Ti-6Al-4V薄板極限拉深系數(shù)減小,即拉深極限尺寸增大.但在此溫度范圍內極限拉深系數(shù)變化不大,即此時溫度對拉深性能提升十分有限.綜上所述,厚0.8 mm、直徑40 mm Ti-6Al-4V坯料、在壓邊力為10 kN,沖壓速度為50%條件下,需要在溫度不低于300 ℃才可以成功拉深成形;300～500 ℃內所能拉深成形的坯料尺寸范圍很小.

圖8 不同溫度極限拉深系數(shù)Fig.8 Limit drawing coefficient at different temperatures

2.3.2 壓邊力對拉深成形的影響

在拉深工藝中,壓邊力大小對拉深成形具有顯著影響.試驗設定不同壓邊力以探尋直徑40 mm坯料成形情況.試驗設定壓邊力分別為5、10和20 kN,沖壓速度為50%,采用一般機械潤滑油潤滑.100～400 ℃不同壓邊力條件下拉深成形件個數(shù)見表3.由表可見,300 ℃以下不存在拉深成形件,而300 ℃以上,在不同壓邊力下都存在拉深成形件.可見改變壓邊力并不能使Ti-6Al-4V薄板在300 ℃以下拉深成形.在300 ℃以上,壓邊力為10 kN時,所有坯料都拉深成形.壓邊力過小會使得拉深件發(fā)生起皺,壓邊力為5 kN時,300～400 ℃下都出現(xiàn)起皺拉深件.壓邊力過大會使坯料凸緣部分產(chǎn)生斷裂而不能拉深成形,試驗中壓邊力為20 kN時,300～400 ℃下均出現(xiàn)坯料破裂現(xiàn)象.因此,10 kN為合適壓邊力.

表3 不同壓邊力下拉深成形件數(shù)Table 3 Numbers of drawing forming parts under different blank holder forces

2.3.3 沖壓速度對拉深成形的影響

在拉深工藝中,沖壓速度大小會影響到材料塑性流動,從而影響拉深件成形.10%～100%為伺服壓力機可調節(jié)速度范圍,因此,設定不同沖壓速度為10%(4 mm/s)、30%(13 mm/s)、50%(22 mm/s)、80%(35 mm/s)和100%(44 mm/s),壓邊力設置為10 kN,采用一般機械潤滑油潤滑.沖壓速度為50%,試驗組結果見表3.其他沖壓速度下各溫度拉深成形件數(shù)見表4.

由表3和表4可知,300 ℃以下,改變沖壓速度不能成功拉深成形圓筒件,說明300 ℃以下,沖壓速度對Ti-6Al-4V薄板成形影響不大.在300～400 ℃,沖壓速度為10%時所有坯料均可成形.隨著沖壓速度增大,拉深成形情況變壞,300 ℃時,沖壓速度為30%和50%拉伸件出現(xiàn)裂紋.沖壓速度為80%和100%時,都沒有完美拉深成形筒形件,速度為80%時,所有拉深件都出現(xiàn)裂紋,當速度達到100%時,大部分坯料出現(xiàn)局部破裂,如圖9所示.因此判斷最佳沖壓速度為10%.

表4 不同沖壓速度下拉深成形件數(shù)Table 4 Numbers of drawing forming parts under different stamping speed

圖9 高速沖壓下典型拉深件Fig.9 Typical drawing parts under high speed stamping

2.3.4 潤滑條件對拉深成形的影響

在拉深工藝中,潤滑條件影響著模具與坯料之間接觸面應力,從而影響拉深成形.設定不同潤滑條件:1) 無潤滑;2) 機械潤滑油;3) 高溫潤滑脂.設置壓邊力為10 kN,沖壓速度為10%.其中,不同溫度下使用機械潤滑油潤滑的試驗結果見表4,其他潤滑條件下各溫度拉深件成形件數(shù)見表5.

表5 不同潤滑條件下拉深成形件數(shù)Table 5 Numbers of drawing forming parts under different lubrication conditions

由表4和表5可知,溫度在300 ℃以下時,改變潤滑條件也無法成形圓筒件,在此溫度范圍內拉深坯料都發(fā)生嚴重破裂,此時潤滑對Ti-6Al-4V薄板成形并無影響.在300～400 ℃時,采取2)和3)潤滑條件的坯料均成功拉深成形,而未進行潤滑坯料約一半出現(xiàn)破裂情況.可見,在300 ℃以上,有無潤滑對成形有較大影響.無潤滑破裂拉深件和有潤滑拉深件如圖10所示.

圖10 不同潤滑條件拉深件Fig.10 Drawing parts under different lubrication conditions

2.4 成形件質量評估

試驗發(fā)現(xiàn)筒形件最低成形溫度為300 ℃,此溫度下對成形筒形件質量進行評估發(fā)現(xiàn).成形件表面并沒有發(fā)生明顯氧化現(xiàn)象,也沒有明顯劃痕.初始材料平均HV10維氏硬度為368.8,300 ℃下材料平均HV10硬度為365.2,可見硬度并無太大變化.

厚度分布是衡量拉深成形件質量的重要標準,一般認為最大減薄率超過30%即判斷零件失效[9].對成形件進行厚度測量以進一步評估成形質量,結果如圖11所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn),成形件底部圓角區(qū)域板料厚度有所減薄,此部分受拉、壓應力共同作用,是最容易發(fā)生拉裂部位,稱作危險區(qū)域.300 ℃時最大減薄率為7.5%,遠小于30%,成形件質量合格.由圖11還可以看出,隨著溫度升高,最大減薄率減小,400 ℃時拉深件最大減薄率只有2.5%,成形質量優(yōu)于300 ℃拉深件.

3 結 語

通過單向拉伸試驗和拉深成形試驗,研究25～500 ℃下高強Ti-6Al-4V薄板成形性.得出以下結論:

圖11 不同溫度下坯料拉深成形件厚度分布Fig.11 Thickness distribution of drawing forming parts at different temperatures

1) 25～300 ℃時,Ti-6Al-4V薄板成形性很差,拉伸樣件沒有出現(xiàn)明顯頸縮現(xiàn)象;

2) 在300 ℃時,材料延伸率為20.05%,有明顯增長,300～500 ℃拉伸件都出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象;

3) 300 ℃以下,Ti-6Al-4V薄板通過改變壓邊力、沖壓速度和潤滑條件均無法成功拉深成形,300 ℃時,可以拉深出合格筒形件,極限拉深系數(shù)為0.656,300 ℃是可進行成功拉深成形的臨界溫度.