鈦合金具有良好的高溫綜合性能，抗疲勞、抗氧化和耐腐蝕性能優(yōu)異，被廣泛用于制備航空航天、船舶等領(lǐng)域中的關(guān)鍵構(gòu)件[1]。但由于鈦合金在室溫下存在成形抗力大、塑性差和回彈大等問題，常采用熱加工技術(shù)進行制造。武永等[2] 綜述了多種針對鈦合金薄壁構(gòu)件的熱成形工藝，其中超塑氣脹成形技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種先進工藝方法，具有成形效率高、適用性強、綠色環(huán)保等優(yōu)點，可將簡單形狀坯料直接成形為整體復(fù)雜曲面零件。Li 等[3] 研究了超塑脹形過程中摩擦系數(shù)、應(yīng)變速率敏感系數(shù)和應(yīng)變速率等對板料厚度分布的影響。Alabort 等[4] 基于黏塑性模型預(yù)測了TC4鈦合金多層板在超塑氣脹成形過程中幾何形狀、應(yīng)變分布、晶粒尺寸和損傷分?jǐn)?shù)的演變規(guī)律。Fan 等[5] 通過開展超塑氣脹成形試驗發(fā)現(xiàn)，在熱成形過程中，不同的應(yīng)變路徑會顯著影響鈦合金的微觀組織、織構(gòu)演變及變形機制，進而改變宏觀力學(xué)性能及成形零件質(zhì)量。此外，Li[6]和 Wu[7] 等通過高溫單軸拉伸試驗發(fā)現(xiàn)近 α 鈦合金板材由于具有強烈的軋制織構(gòu)，在高溫塑性變形時仍然表現(xiàn)出明顯的各向異性。因此，有必要對不同雙拉應(yīng)變路徑下鈦合金板材的高溫力學(xué)性能及各向異性行為進行系統(tǒng)研究，這對于優(yōu)化成形工藝和提高有限元精度具有重要的指導(dǎo)意義。

TA32鈦合金是中科院金屬研究所在 Ti55合金基礎(chǔ)上改進的一種近α型高溫鈦合金，已被用于研制國內(nèi)先進航空發(fā)動機的加力燃燒室筒體和尾噴管結(jié)構(gòu)件[8]。

本文通過開展高溫氣脹成形試驗研究了TA32鈦合金板材的超塑脹形性能。設(shè)計了4種具有不同短長軸比的橢圓模具以實現(xiàn)不同的應(yīng)變路徑，板材的軋向 （Rolling direction，RD）和橫向 （Transverse direction，TD）分別與模具長軸平行以研究變形各向異性。分析了脹形試樣頂點的應(yīng)變分量、壁厚和曲率半徑與脹形高度之間的定量關(guān)系?；诜顷P(guān)聯(lián)流動法則下的 Barlat’89 屈服準(zhǔn)則對 TA32板材脹形過程中的等效應(yīng)力進行了求解，并分析了不同應(yīng)變路徑下試樣頂點處的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線和等效應(yīng)變速率。

1、 超塑脹形性能試驗

試驗材料為寶鈦集團生產(chǎn)的0.8mm厚近α型TA32鈦合金軋板，名義成分為 Ti-5.5Al-3.5Sn-3.0Zr-0.7Mo -0.3Si-0.4Nb-0.4Ta（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）[8]。通過激光切割制備直徑為 90 mm 的圓形試樣，并用砂紙打磨試樣表面去除邊緣毛刺。為了測量脹形試樣的應(yīng)變分布，采用電蝕刻打標(biāo)機在試樣表面印制線寬0.02mm×邊長 2mm的方形網(wǎng)格。

在自主設(shè)計的成形裝置上對 TA32鈦合金薄板進行超塑氣脹成形試驗，裝置示意如圖 1 所示。首先通過加熱爐將上、下模具加熱至成形溫度 （800 ℃），采用 3 個K 型熱電偶實時監(jiān)測上模座、模具和下模座的溫度。然后，將涂有高溫防氧化劑的圓形試樣 （直徑 90 mm）置于模具之間，保溫 15 min 后通過夾緊模具來密封腔體。

將高壓氣體從下模座中的孔道沿指定加載曲線施加于試樣的下表面，使其發(fā)生塑性變形。同時，在下模座型腔中放置了大量陶瓷球，一方面減小板料中部和板料與模具接觸區(qū)域之間的溫度差異，另一方面降低低溫高壓氣體對試樣表面的溫降影響。在試驗過程中，脹形高度由位移傳感器實時監(jiān)測，加載氣壓由電動比例調(diào)節(jié)閥控制，并通過壓力傳感器實時記錄。

為了研究不同應(yīng)變路徑下的脹形性能，設(shè)計了 4 套具有不同橢圓型腔結(jié)構(gòu)的模具，如圖 2（a）~（d）所示。

模具長軸平行于 X 軸，短軸平行于 Y 軸。變形區(qū)域的長軸為 60 mm，短長軸比用 λ 表示，4 套模具的短長軸比分別為 1、3/4、2/4 和 1/4。不同模具代表的雙軸拉伸應(yīng)變路徑的示意圖見圖 2（e），分別標(biāo)記為路徑 1~4。為了分析 TA32 板材在超塑脹形條件下的各向異性行為，在脹形過程中使得試樣的 RD 和 TD 分別平行于模具的長軸 （X 軸）方向。

采用 Banabic[9] 和 Siegert[10] 等提出的氣壓加載方程，使得試樣頂點在脹形過程中保持恒定等效應(yīng)變率變形。

式中，p為脹形壓力；a0 和 b0 分別為模具型腔的半長軸和半短軸長度；s0 為初始板厚；t 為脹形時間；α 為主應(yīng)力比值的無量綱常數(shù)；ε.e 為等效應(yīng)變速率；σ- 為對應(yīng)于單軸拉伸期間特定應(yīng)變速率的等效流動應(yīng)力。根據(jù)本課題組之前的研究結(jié)果[11]，TA32 板材在 800 ℃下以0.001 s^–1 應(yīng)變速率變形時表現(xiàn)出良好的超塑性，因此本文設(shè)定試樣頂點在脹形過程中的等效應(yīng)變速率為 0.001s^–1，相應(yīng)的等效流動應(yīng)力約為 120 MPa。圖 3 為 TA32板材在不同應(yīng)變路徑下的脹形壓力加載曲線?？梢钥闯?，恒應(yīng)變速率脹形氣壓先快速增加后緩慢減小，氣壓減小的原因是由于板料發(fā)生了局部軟化。同時，隨著模具短長軸比的減小，脹形壓力顯著增加。

2、 脹形過程分析模型

由于板厚與模具直徑之比小于 0.02，采用薄膜理論分析脹形試樣頂點應(yīng)力[12]。為簡化計算，提出以下近似假設(shè)： （1）法向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等于 0； （2）壁厚分布均勻； （3）在兩個正交方向上的應(yīng)力分量是均勻的，且垂直于相應(yīng)截面； （4）外表面曲率半徑在微元體范圍內(nèi)均勻分布，根據(jù)法向方向的力平衡方程，試樣頂點處的應(yīng)力分量可表示為[13]

式中，s 為試樣頂點的當(dāng)前壁厚；ρX 和 ρY 為試樣外表面沿 X 和 Y 軸的曲率半徑。

等效應(yīng)力通過合適的屈服準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化主應(yīng)力來獲得，本文選取適用于各向異性金屬板的 Barlat’89 屈服準(zhǔn)則來描述 TA32 板材的屈服行為[14]。為了使等效應(yīng)力預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確，采用非關(guān)聯(lián)流動法則下的 Barlat’89屈服準(zhǔn)則進行求解，在平面應(yīng)力狀態(tài)下可表示為[15]

式中，σ- 為等效應(yīng)力；上標(biāo) M 為冪指數(shù)；K1、K2 為方程參數(shù)；σ1、σ2 為第 1 和第 2 主應(yīng)力；τ 為剪切應(yīng)力；ay、cy 和hy 為材料參數(shù)；考慮到在脹形過程中試樣頂點的剪應(yīng)力接近于 0，故參數(shù) qy 可忽略不計；σ0 和 σ90 分別為 TA32板材平行 RD 和垂直 RD 單軸拉伸時的屈服應(yīng)力[16] ；σb為等雙拉時的屈服應(yīng)力，可近似表示為 σb =（σ0 + σ90）/2。

表 1 列出了非關(guān)聯(lián)流動法則下 Barlat’89 屈服準(zhǔn)則中的材料參數(shù)。

利用塑性功相等原則計算等效應(yīng)變增量[17] 為

式中，wp 是單位體積內(nèi)的塑性功增量；dεX 和 dεY 是沿 X和 Y 軸的應(yīng)變增量。等效應(yīng)變可通過對增量積分得到。

由式 （3）可知，應(yīng)力分量的求解依賴于試樣頂點的主曲率半徑 （ρX、ρY）。在本研究中，假設(shè)脹形試樣的長軸截面輪廓近似為圓形，通過考慮模具圓角半徑的影響，試樣頂點處沿長軸的曲率半徑可表示為[18]

式中，ρ0 為模具圓角半徑；h 為脹形高度。

根據(jù) Chen[19] 的研究結(jié)果，脹形試樣主曲率半徑之比與模具短長軸比之間的關(guān)系可表示為

式中，參數(shù) c1 用于反映材料的各向異性，由路徑 1 下脹形試樣的主曲率半徑之比得到；參數(shù) c2 為不同應(yīng)變路徑對曲率半徑的影響因子，通過擬合路徑 2~ 4 下脹形試樣的主曲率半徑得到。

3 、結(jié)果與討論

圖 4 為 TA32 板材在 800 ℃下沿不同應(yīng)變路徑脹形至不同階段的試驗結(jié)果。試樣軋向與模具長軸方向平行。圖 5 為不同路徑下試樣頂點處的脹形高度與時間之間的關(guān)系。可以看出脹形高度在變形初期迅速增加，增長速率隨著變形的發(fā)展而逐漸減慢。當(dāng)變形到最后階段時，脹形高度在短時間內(nèi)迅速增加，直到試樣破裂。

同時，脹形高度隨模具短長軸比的減小而減小。當(dāng)試樣 RD 平行于 X 軸時，路徑 1~ 4 的極限脹形高度分別為33.1 mm、28.1 mm、25.3 mm 和 20.4 mm；當(dāng)試樣 TD 平行于 X 軸時，路徑 2~4 的極限脹形高度分別為 30.8mm、26.9mm 和 22.2mm，這表明 TA32 板材在高溫脹形試驗中具有明顯的變形各向異性。

通過測量脹形試樣頂點區(qū)域變形網(wǎng)格的應(yīng)變分布，得到了不同應(yīng)變路徑下試樣頂點處應(yīng)變分量 （εX、εY）和脹形高度之間的對應(yīng)關(guān)系，并用二次多項式對其進行擬合，如圖 6 所示 （上標(biāo)“RD//X ”和“TD//X ”表示兩個不同的試樣，下標(biāo)“X ”和“Y ”表示應(yīng)變分量對應(yīng)的方向）。

隨著脹形高度的增加，應(yīng)變增量逐漸增大。當(dāng)使用圓形模具脹形時，短軸方向上應(yīng)變略小于長軸方向上應(yīng)變；當(dāng)使用橢圓模具脹形時，短軸方向上應(yīng)變大于長軸方向上應(yīng)變，且差值隨模具短長軸比的減小而增加。此外，與 RD//X 試樣相比，在相同脹形高度下，TD//X 試樣在短軸方向上的應(yīng)變更大，而在長軸方向上的應(yīng)變更小。

這種各向異性行為可能與原始軋板中的織構(gòu)分布密切相關(guān)[7]。圖 7[7] 顯示了由 Channel 5 軟件繪制的 TA32鈦合金板材的 （0001）、（101-0）和 （112-0）極圖，可以看出，原始板材中存在著大量的橫向織構(gòu)（Transverse），即圖 7 中 T 所在位置。

根據(jù)材料不可壓縮假設(shè)，進一步得到不同應(yīng)變路徑下試樣頂點壁厚和脹形高度之間的關(guān)系，如圖 8 所示。

試樣減薄率隨著脹形高度的增加而快速增加，且隨著模具 λ 值的減小，試樣壁厚在相同脹形高度下明顯減小。

同時，與 RD//X 試樣相比，TD//X 試樣在相同變形條件下具有更大的變形能力，表明當(dāng) RD 平行于第一主應(yīng)變方向時，TA32 板材在高溫雙拉條件下表現(xiàn)出更好的塑性。

圖 9 顯示了不同應(yīng)變路徑下試樣頂點曲率半徑和脹形高度之間的關(guān)系（其中符號點表示試驗值），通過采用高度尺分別構(gòu)建脹形試樣沿 X 和 Y 軸的截面輪廓，并擬合二次曲線方程獲得。結(jié)合式 （11），c1 和 c2 的數(shù)值分別為 1.07 和 1.15，理論計算的曲率半徑如圖 8 所示?？梢钥闯鲱A(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。隨著脹形高度的增加，試樣頂點曲率半徑先快速降低后緩慢降低，且在短軸方向上減小速度更快。隨著變形的進行，短軸方向上的曲率半徑逐漸趨近于模具的半短軸長度。隨著模具 λ 值的減小，沿長軸方向的曲率半徑接近，但沿短軸方向的曲率半徑不斷減小。此外，當(dāng)使用同一套模具脹形至相同高度時，RD//X 和 TD//X 試樣的曲率半徑幾乎相同，這意味著曲率半徑主要取決于模具型腔結(jié)構(gòu)，與板材取向無關(guān)。

根據(jù)上文的分析，基于 Barlat’89 屈服準(zhǔn)則 （式 （5））并結(jié)合上述試驗數(shù)據(jù)計算了不同應(yīng)變路徑下試樣頂點處的等效應(yīng)力 – 應(yīng)變曲線，如圖 10 所示?？梢钥闯隽鲃討?yīng)力在變形初期迅速達(dá)到峰值，隨后由于動態(tài)再結(jié)晶和損傷積累而逐漸下降，表現(xiàn)出明顯的流變軟化行為。隨模具 λ值的減小，即路徑 1~ 4，材料的峰值應(yīng)力升高，流變軟化增強，延伸率降低，表明當(dāng)應(yīng)變路徑由等雙拉過渡到平面應(yīng)變時，材料的成形性能不斷下降。另外，力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的各向異性，當(dāng)板材 TD 與模具長軸平行時，材料具有更低的峰值強度和更高的塑性，即當(dāng)板材 RD 與第一主應(yīng)變方向平行時，TA32 板材具有更好的成形性。

式 （6）計算了試樣頂點在不同應(yīng)變路徑下脹形時的等效應(yīng)變速率，如圖 11 所示，可以發(fā)現(xiàn)在脹形過程中應(yīng)變速率主要分為3個階段：快速下降、穩(wěn)定波動和加速上升。

但是，不同路徑下的應(yīng)變速率均低于目標(biāo)設(shè)定值，這意味著通過式 （1）計算得到的壓力加載曲線無法滿足 TA32板材的恒應(yīng)變速率脹形，未來需要開發(fā)適用性更強的理論模型來準(zhǔn)確預(yù)測超塑氣脹成形過程中的加載壓力。

4、 結(jié)論

（1）TA32鈦合金板材的超塑氣脹成形性能表現(xiàn)出強烈的應(yīng)變路徑依賴性。當(dāng)應(yīng)變路徑從等雙軸拉伸轉(zhuǎn)變?yōu)榻矫鎽?yīng)變時，板材極限脹形高度減小，峰值應(yīng)力增加，延伸率降低，成形性能下降。

（2）TA32鈦合金板材在超塑成形條件下表現(xiàn)出顯著的各向異性行為。當(dāng)板材 RD 平行于第一主應(yīng)變方向時，材料具有更低的峰值應(yīng)力和更高的塑性，表現(xiàn)出更好的成形性。

參 考 文 獻

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通訊作者：武永，副教授，工學(xué)博士，研究方向為鈦合金超塑成形 / 擴散連接工藝及裝備、高溫成形多尺度建模。