洪 權(quán)，郭 萍，周 偉

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

近年來，我國高新技術(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，滑移過程的空間位向少，位錯運(yùn)動的阻力較大[7]，塑性差，成形過程中的抗力較大，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期致力于鈦合金材料及相關(guān)加工技術(shù)研究，開發(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)的特點及其在鈦合金成形中的應(yīng)用，以期為推動我國鈦合金成形技術(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，加工過程中會出現(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)加工時會引起局部變形增大而導(dǎo)致薄弱區(qū)域開裂，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是表征材料各項異性的參數(shù)，主要影響拉伸性能，較高的r值說明材料的各向異性不明顯。綜上，良好的沖壓成形性對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用戶需求開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設(shè)計開發(fā)出了一種適合深拉成形的高塑性、低屈服強(qiáng)度的隔膜專用鈦合金板材[12]。針對鈦合金屈強(qiáng)比高、材料回彈大的特點，研究人員通過模具設(shè)計及成形工藝參數(shù)的優(yōu)化開發(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、開裂等現(xiàn)象，滿足了國防重點工程亟需。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

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、無殘余應(yīng)力、減少零件加工數(shù)量等優(yōu)點，不易出現(xiàn)板材在傳統(tǒng)成形過程中出現(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 超塑性分類及成形條件

根據(jù)實現(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。相變超塑性又稱為動態(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。大角度晶界在切應(yīng)力作用下很容易發(fā)生晶界滑動，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程中抑制基體晶粒的長大，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，以避免變形過程中兩相界面產(chǎn)生空洞而過早斷裂。(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)。

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，顯微組織在不穩(wěn)定的狀態(tài)下會生成等軸超細(xì)晶，此時在短時間內(nèi)快速施加外力，也會表現(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年代開始，受高性能戰(zhàn)斗機(jī)需求推動，國外航空工業(yè)率先開展超塑成形技術(shù)研究，超塑性及其應(yīng)用研究也進(jìn)入了快速發(fā)展時期。70年代早期，美國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，美國的BLATS計劃將鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)組合技術(shù)列為重點研究項目，制造了B-1B戰(zhàn)略轟炸機(jī)的短艙框架、輔助動力艙門等重要構(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)格測試。此外，還利用厚壁管坯吹脹成形工藝制備出整體無焊縫型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)了多項超塑成形鈦合金的研究項目，合金種類包括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。近年來，隨著機(jī)電一體化控制、高精度實時測量及大數(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、長度增加等，同時產(chǎn)品內(nèi)徑也會因工藝參數(shù)的不同而改變。最終產(chǎn)品要素為圓筒內(nèi)外徑、壁厚、長度、直線度、圓度等，產(chǎn)品長度可用式(1)計算[26]。

(1)

式中：L1為工件長度；L0為毛坯長度；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，在旋壓加工過程中需要對加工部位進(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)用戶需求，西北有色金屬研究院鈦合金研究所開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)的推動下向前運(yùn)動，進(jìn)行加熱、擴(kuò)徑并彎曲成形的過程。這種成形方式避免了傳統(tǒng)彎管工藝在彎管成形時，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。

在彎頭成形過程中，彎頭芯棒是不可缺少的成形模具。通過合理設(shè)計成形芯棒，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發(fā)某航天用鈦環(huán)形氣瓶內(nèi)襯過程中，針對所設(shè)計的環(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)管成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變云圖[28]。模擬結(jié)果表明，環(huán)管成形過程中應(yīng)力應(yīng)變比較均勻。圖7a為制備的TA2鈦環(huán)形氣瓶內(nèi)襯，其管徑為36 mm，外環(huán)直徑為260 mm，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。采用該技術(shù)同時制備了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)管成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變云圖[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。

開始熱模鍛前，需要進(jìn)行模具設(shè)計、坯料準(zhǔn)備及熱模鍛工藝參數(shù)的確定。如果按傳統(tǒng)方式通過經(jīng)驗進(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)計中可能存在的問題，通過優(yōu)化工藝參數(shù)提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免人力、物力和時間的浪費(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，利用有限元軟件對其熱模鍛過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對結(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]

材料成形過程十分復(fù)雜，為簡化模擬過程，可以進(jìn)行一些假設(shè)，如不計材料的彈性變形，材料完全均質(zhì)且各向同性，體積不可壓縮，變形流動服從Levy-Misses流動原理。熱模鍛過程的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在錐體成形過程中，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，此時再繼續(xù)施加變形時，材料將發(fā)生不均勻減薄。因此，在模具設(shè)計時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

西北有色金屬研究院經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，針對特殊的應(yīng)用需求，設(shè)計并開發(fā)出了適合鈦合金板、棒、管等加工的多項成形技術(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，滿足了多項國防重點工程對鈦合金深加工產(chǎn)品的亟需，同時也推動了鈦合金成形技術(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。