李曉艷 司松社 陳明和
摘要:本文通過板材不同溫度下的本構(gòu)關(guān)系,板材在不同溫度下的成形極限,板材在設(shè)定溫度的不同應(yīng)變速率條件下的成形性能參數(shù)的試驗(yàn)研究,評(píng)價(jià)Ti2AlNb合金板材的成形性能,為該材料不同鈑金成形方式提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。
關(guān)鍵詞:Ti2AlNb;O相;板材;成形
0? 引言
Ti2AlNb合金是以有序正交結(jié)構(gòu)的O相為主相的金屬間化合物合金,具有較高的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能,與鎳基高溫合金相比其密度較低,為一種新材料,被各國(guó)學(xué)者認(rèn)定為最具潛力的航空航天用輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。
由于該材料鑄態(tài)組織粗大,室溫塑性低,高溫變形抗力大,對(duì)變形條件要求苛刻等原因,大大提高了其成形難度,使得對(duì)該材料的廣泛應(yīng)用存在很大挑戰(zhàn)。目前專門針對(duì)Ti2AlNb合金板材成形方面的研究很少,而該材料的板材在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用前景廣泛,因此本文對(duì)該合金的板材的成形性能進(jìn)行初步研究,以便于后續(xù)建立材料有限元模型,對(duì)成形零件進(jìn)行有限元分析。
1? 金屬板料成形試驗(yàn)原理
1.1 板料極限拉深比試驗(yàn)(LDR)試驗(yàn)原理
板料的極限拉深比試驗(yàn)(LDR)是衡量板料拉深性能,國(guó)內(nèi)又叫壓延性能的重要試驗(yàn)。直接確定了拉深模具設(shè)計(jì)中的拉深系數(shù)。
1.2 擴(kuò)孔試驗(yàn)原理
擴(kuò)孔試驗(yàn)包括沖制試樣圓孔和利用錐頭凸模壓入沖制圓孔兩個(gè)步驟,即沖孔完畢后,錐頭凸模壓入沖制圓孔,直至圓孔在凸模作用下孔緣發(fā)生開裂,停止試驗(yàn)。
1.3 杯突試驗(yàn)原理
試驗(yàn)系用端部為球形的沖頭,將夾緊的試樣壓入凹模內(nèi),直至出現(xiàn)穿透裂縫為止,所測(cè)最深的杯突深度即為試驗(yàn)結(jié)果。
1.4 彎曲試驗(yàn)原理
本試驗(yàn)采用系列具有不同底部弧面半徑的凸模(或不同厚度的墊模),將試樣按照規(guī)定的彎曲角成形后,檢查其變形區(qū)外表面,將該表面不產(chǎn)生裂紋或顯著凹陷時(shí)的最小相對(duì)彎曲半徑作為金屬薄板的彎曲成形性能指標(biāo)。
1.5 翻邊成形極限試驗(yàn)原理
本試驗(yàn)采用系列具有不同底部半徑的凸模將預(yù)先開孔的試樣進(jìn)行翻邊,以孔緣發(fā)生開裂時(shí)的最大翻邊直徑為極限翻邊系數(shù)。
2? 金屬板料成形研究成果
2.1 板料在不同溫度下的基本成形性能參數(shù)
2.1.1 工作內(nèi)容
對(duì)Ti2AlNb板料進(jìn)行了不同溫度下的單向拉伸試驗(yàn),獲得材料不同溫度下的應(yīng)變硬化指數(shù)n及厚向各向異性系數(shù)r,應(yīng)變速率為0.01s-1。
2.1.2 階段成果
應(yīng)變速率為0.01s-1,不同試驗(yàn)溫度成形性能參數(shù)如表1所示。
2.1.3 小結(jié)
通過試驗(yàn)研究了Ti2AlNb板料在應(yīng)變速率0.01S-1條件下不同溫度的應(yīng)變硬化指數(shù)n,厚向異性系數(shù)r以及均勻延伸率δ,試驗(yàn)結(jié)果表明750℃以上,材料的延伸率得到較大提高,塑性得以改善。材料應(yīng)變硬化指數(shù)n及厚向異性系數(shù)r均隨溫度升高而降低。
2.2 板料在不同溫度下的成形極限
2.2.1 工作內(nèi)容
通過試驗(yàn)研究了溫度點(diǎn)為600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃下材料的翻邊成形極限、擴(kuò)孔成形極限、杯突成形極限、拉深成形極限、彎曲成形極限等。給出材料在不同溫度下的不同模擬成形性能的成形極限參數(shù)。
2.2.2 階段成果
①板料不同溫度下的翻邊成形極限。針對(duì)板料翻邊系數(shù)試驗(yàn)可得出材料在600℃下的翻邊極限很小,僅為1.1,幾乎無法翻邊,而在900℃時(shí)則達(dá)到了2.0塑性得到很大提高。
②板料不同溫度下的擴(kuò)孔成形極限。通過試驗(yàn)可得出材料在不同溫度下的擴(kuò)孔試驗(yàn)結(jié)果顯示溫度從600℃升至900℃時(shí),材料的平均擴(kuò)孔率分別為0.122、0.211、0.217、0.378、0.524、0.684、0.820。溫度750℃以上時(shí)迅速得到提高,因此擴(kuò)孔溫度應(yīng)該控制在750℃以上。
③板料在不同溫度下的杯突成形極限。通過不同溫度下的杯突試驗(yàn)可得出材料在600℃的杯突僅為7.21很小,與室溫下的成形極限差別較小。而在900℃時(shí)則達(dá)到了17.85提高了兩倍,塑性得到很大提高。
④板料在不同溫度下拉深成形極限。通過試驗(yàn)可得出材料在不同溫度下的拉深試驗(yàn)結(jié)果顯示溫度在低于750℃時(shí),材料的平均極限拉深比低于1.6幾乎無法拉深,而溫度超過800℃后明顯提高,850℃達(dá)到了2.0,與鋁合金的室溫拉深比相近。因此此材料的拉深成形應(yīng)在溫度850℃以上比較合適。
⑤板料在不同溫度下的彎曲成形極限。由彎曲試驗(yàn)可得出,材料的最小彎曲半徑隨著溫度的升高逐漸減小,在900℃時(shí)達(dá)到了0.3mm,達(dá)到了大部分鈑金零件的最小彎曲半徑要求。
2.2.3 小結(jié)
通過試驗(yàn)研究了不同溫度下Ti2AlNb板料的翻邊、擴(kuò)孔、杯突、拉深、彎曲等模擬成形性能的成形極限參數(shù)。結(jié)果表明Ti2AlNb板料在750℃以下時(shí)各成形極限均較差,800℃以上明顯轉(zhuǎn)好,因此該材料的塑性成形溫度不宜低于800℃。
2.3 板料在設(shè)定溫度的不同應(yīng)變速率條件下的基本成形性能參數(shù)
2.3.1 工作內(nèi)容
研究了板料在設(shè)定溫度的不同應(yīng)變速率條件下的基本成形性能參數(shù)。設(shè)定溫度點(diǎn)為600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃,每個(gè)溫度點(diǎn)三個(gè)應(yīng)變速率,每個(gè)試樣點(diǎn)3個(gè)試樣。
2.3.2 階段成果
材料在不同溫度下的應(yīng)變硬化指數(shù)n。
材料在不同溫度和應(yīng)變速率下的厚向異性系數(shù)r。
材料在不同溫度和應(yīng)變速率下的延伸率δ。
2.3.3 小結(jié)
試驗(yàn)結(jié)果表明材料成形溫度和應(yīng)變速率對(duì)塑性均有明顯影響,應(yīng)變速率越大,塑性越差;溫度越高,塑性越好。一般在溫度800℃以上,應(yīng)變速率10-3s-1條件成形較好。
3? 研究結(jié)論
通過系統(tǒng)的拉伸試驗(yàn),模擬成形性能試驗(yàn)等,針對(duì)Ti2AlNb合金板材的成形性能進(jìn)行了初步研究,結(jié)果表明Ti2AlNb合金板料在800℃以下性能較差,延伸率不到10%,超過850℃后塑性明顯提高,所以得出Ti2AlNb合金板材成形溫度應(yīng)選在850~950℃之間。
參考文獻(xiàn):
[1]王愛珍.冷作成形技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.
[2]羅佳,孫亮.成形軌跡對(duì)板材漸進(jìn)成形結(jié)果的影響與研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2019(23):109-110.
[3]劉海鵬.機(jī)器人在板材坡口切割中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2019(01):219-220.