引言

鈦合金因具有高的比強度、優(yōu)異的抗腐蝕性和熱穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的制造。TA15鈦合金板料在室溫下的成形特性十分有限，同時，室溫下鈦合金板的力學(xué)性能和材料流線都具有明顯的各向異性，其室溫成形容易產(chǎn)生多種成形缺陷，諸如制耳、破裂和回彈等。為了避免上述缺陷。復(fù)雜的鈦合金薄壁構(gòu)件通常在高溫下成形。在不同的高溫條件下，鈦合金表現(xiàn)出超塑、擴散和蠕變等多種特性，利用這些特性，可以有效地提升鈦合金板成形性能。通過引入新的升溫、控溫方案，傳統(tǒng)的板料成形技術(shù)也被應(yīng)用到鈦合金板的成形中，如熱旋壓成形、數(shù)控漸進成形。本文介紹鈦合金板超塑性成形、超塑/擴散連接、熱旋壓、數(shù)控漸進成形和蠕變成形等先進成形制造技術(shù)，重點闡述其基本原理、工業(yè)應(yīng)用和最新進展。

1、超塑性成形

1.1 超塑性成形基本原理

鈦合金超塑性的主要機制為細晶超塑性，即當鈦合金晶粒尺寸為2～10μm時，在適當?shù)臏囟龋═SP≥0.5Tm，TSP為超塑性溫度，TTm為材料熔化溫度）和應(yīng)變速率（一般為10-4～10-2s-1）下會呈現(xiàn)出超塑性。研究表明：高的應(yīng)變速率會顯著減小延伸率，而過低的應(yīng)變速率則會因晶粒過分長大導(dǎo)致延伸率下降。因此，適當?shù)膽?yīng)變速率下才能獲得最大的延伸率[2]。鈦合金的超塑性成形通常是密封條件下，在鈦合金板料一側(cè)或兩側(cè)施加氣體成形壓力，依靠板料的減薄獲得與模具型腔相近的結(jié)構(gòu)件外形，具有良好的尺寸精度和表面質(zhì)量[3]，不易出現(xiàn)傳統(tǒng)板料成形過程中回彈和破裂等缺陷[4]。但超塑性成形是耗時長、耗能高，高的變形溫度會在一定程度上促進氧化過程，導(dǎo)致微觀組織性能的惡化[3]。研究發(fā)現(xiàn)：從超塑/擴散連接成形的蜂窩狀Ti2AlNb鈦合金構(gòu)件上獲得的單向拉伸試樣，在各種溫度條件下（室溫和工作溫度），相比原始板料表現(xiàn)出降低的延伸率和拉伸強度[5]。Jiang等[6]研究了TA15鈦合金高溫超塑性成形前后的微觀組織轉(zhuǎn)變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：超塑性成形后材料平均晶粒尺寸為10μm，相較于原始材料晶粒尺寸（5μm）存在明顯的粗化，這在一定程度上從微觀角度解釋了力學(xué)性能下降的原因。

1.2 改進的超塑性成形

低溫（相對）超塑性成形可以在一定程度上避免或緩解高溫所導(dǎo)致的表面氧化和微觀組織惡化。當Ti-6Al-4V合金板料在800條件下，通過氣脹超塑性成形多臺階盒形件時，再結(jié) 晶為主要的微觀演化機制，使晶粒細化并提高了組織的均一性，金屬的氧化狀況也隨溫度的降低而改善[3]。 Liu等[7]在TA15鈦合金板成形過程中給板料通電，利用板料自身電阻熱達到超塑性成形溫度，獲得了更好的成形極限，并顯著改善了成形效率，大幅度降低了能量損耗。 Comley[2]在鈦合金超塑性成形過程中，采用變應(yīng)變速率條件，即初始變形速率取高值，隨后逐步減小，既保證了成形極限，又縮短了成形時間。

2、擴散連接成形

2.1　擴散連接基本原理

擴散連接（diffusion bonding，簡稱DB）是一種通過光潔表面間的原子擴散而使兩者結(jié)合的固態(tài)連接技術(shù)，可以連接同種或異種材料。高溫條件和板料間的密切接觸是實現(xiàn)擴散連接過程中材料原子越過晶粒邊界的相互滲透擴散的基本前提[8]，通常當溫度TDB≥0.5Tm（TDB為擴散連接溫度，Tm為材料熔化溫度），并施加壓機壓力或氣脹壓力（一般采用氬氣等惰性氣體）時，可實現(xiàn)材料間的擴散連接。

為了促進材料的焊合過程，待焊合的表面需要進行光潔處理，以獲得足夠的平面度和表面粗糙度，可選擇酸蝕和超聲波清洗等方法清理表面[5]。光潔處理的主要目的是減小待焊合表面間的空隙，空隙越小，越有利于材料原子的擴散焊合[8]。與熔焊相比，固態(tài)擴散焊合過程不會引入異質(zhì)焊劑，因而焊合區(qū)不容易引入殘余應(yīng)力，微觀組織也易于保持或接近原始材料。

Cepeda-Jimenez等[9]研究了Ti-6Al-4V鈦合金的板料多層擴散連接結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：750溫度下會形成更多密排六方α相，削弱了表面孔隙的愈合，使得界面連接處剪切強度降低；但厚向剪切強度是原始材料的7倍，表明該多層擴散焊結(jié)構(gòu)適用于單向（厚向）受載場合。Li等[10]研究了熱循環(huán)對2295雙相不銹鋼擴散連接的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：熱循環(huán)的引入有助于增強原子核晶界的運動和細化焊合區(qū)的微觀組織，從而使所獲得的接頭相較于傳統(tǒng)擴散焊具有更高的剪切強度。

當同一構(gòu)件的不同部位要求具有不同的特性時，常常將異種材料結(jié)合到一起，以充分發(fā)揮各自的潛能。Kundu等[11]研究了擴散連接溫度和時間對Ti-6Al-4V與雙相不銹鋼間焊合接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當擴散連接溫度和時間分別為850和90min時，影響材料性能的金屬間化合物的析出減少，從而獲得最佳的接頭性能。

2.2 超塑/擴散連接成形

在鈦合金板成形和裝配過程中，常將超塑性成形與擴散連接技術(shù)結(jié)合起來，即鈦合金板料按預(yù)先設(shè)計的次序，或同時經(jīng)歷局部擴散連接與超塑性成形，板料之間的局部焊合能夠局 部約束后續(xù)的超塑性成形過程，從而控制變形過程，以獲得預(yù)想的內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)有效的局部擴散連接，板料間或同一板料不同部位需要密切接觸，通過上、下模具壓住待焊合的多層板料，形成封閉的模腔空間，并向腔內(nèi)通入惰性氣體，可以實現(xiàn)接觸條件，隨后將氣體通入板料之間的間隙，提供均勻的超塑性成形，直至該夾層結(jié)構(gòu)外層板料與模具型腔貼合，形成結(jié)構(gòu)的外輪廓。該技術(shù)可用于成形和裝配飛機機翼前緣，一種應(yīng)用超塑/擴散連接裝配的Ti-6Al-4V合金D型機翼前緣如圖1[12]所示。

超塑/擴散連接技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造蜂窩狀/胞狀結(jié)構(gòu)，在滿足同等強度的前提下，具有更低的相對密度，從而顯著節(jié)省材料，降低成本[5]。在成形過程中，首先要求相鄰板料間有選擇性地局部擴散焊合，隨后在模腔中通過超塑性成形獲得外部輪廓和內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)。若要實現(xiàn)有選擇性地局部擴散焊合，兩板料間不需要焊合的部位應(yīng)采用隔離劑隔離[8]。an等[13]利用SPF/DB實現(xiàn)了一種基于Ti-6Al-4V合金的X型多層桁架結(jié)構(gòu)，如圖2（a）[13]所示。在成形過程中，預(yù)先沖孔后柵格狀芯板選擇性地涂覆隔離劑，在上、下面板上施加氣體壓力，使芯板上、下表面分別與上、下面板局部擴散焊合，隨后通過將氣體通入多層板料間隙，使板料產(chǎn)生超塑性成形。分析發(fā)現(xiàn)：所獲得焊合部位具有足夠的微觀組織均一性和結(jié)構(gòu)可靠性[13]。

蜂窩狀構(gòu)件和空心葉片是兩種典型的依靠SPF/DB成形的鈦合金構(gòu)件，如圖2（b）[5]所示。

超塑/擴散連接方法也可以與其他成形方法或連接方法相結(jié)合。Jiang等[6]將SPF/DB方法與激光焊技術(shù)（LBW）相結(jié)合，用于成形具有方形柵格結(jié)構(gòu)的四層TA15鈦合金夾心結(jié)構(gòu)，從而顯著縮短了生產(chǎn)時間。板料在氣脹條件下超塑性成形時，芯板與面板相接觸或芯板自接觸時，引起擴散焊合，前者焊合形成構(gòu)件外形，后者焊合則形成方形柵格的筋部。

3、熱旋壓成形

3.1 基本原理

旋壓成形指通過一個或多個旋輪作用于初始平板的旋轉(zhuǎn)進給運動，逐步使板料與旋轉(zhuǎn)芯模貼合，最終獲得壁厚相對減薄的空心回轉(zhuǎn)體零件的成形過程。由于旋壓過程旋輪局部加 載，與傳統(tǒng)的板料沖壓成形過相比，載荷顯著降低。旋壓是一種柔性板料成形方法，適合于生產(chǎn)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件的終成形件或近終成形件[14]，如錐形件、筒形件[15-16]等。對于室溫下難以成形的輕合金，如鈦合金、鎂合金等，旋壓需要在一定溫度下進行，稱之為熱旋壓。由于同一溫度下不同材料或同一材料在不同溫度下力學(xué)性能存在顯著差異，故在熱旋壓中溫度的控制尤為重要。Zhan等[17]綜述了輕合金熱旋過程的中8種板料的加熱方式，如火焰加熱、電阻爐加熱、電磁感應(yīng)加熱、激光加熱等。

3.2 工藝參數(shù)對熱旋成形的影響

熱旋成形的質(zhì)量受多個工藝參數(shù)的影響，如成形溫度、模具預(yù)熱溫度、旋輪尺寸和芯模轉(zhuǎn)速等。Zhan等[14]研究了偏離率和變形溫度對熱旋成形件幾何精度和微觀組織的影響，研究表明：近零偏離率和合理旋壓溫度區(qū)間有利于提高成形件幾何精度和微觀組織均勻性。Yang等[18]研究了TA15鈦合金熱旋成形過程溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、壁厚、貼模性的變化，系統(tǒng)地總結(jié)了各工藝參數(shù)對旋壓件成形質(zhì)量的影響規(guī)律。鈦合金板料熱旋壓過程中，存在強烈的加工硬化，并伴隨有再結(jié)晶軟化機制。Chen等[19]研究了 TA15管坯在熱旋壓過程中微觀組織演化，隨著壁厚的減薄，晶粒細化并拉長，形成沿軸向取向的纖維狀微觀組織。

3.3 熱旋壓過程熱力耦合數(shù)值分析

熱旋成形在較高溫度下進行，因而存在復(fù)雜的熱力學(xué)問題，包括熱擴散、坯料與工模具間的熱量傳導(dǎo)、摩擦熱等，這些過程又與工藝加載條件相互影響。因此，準確地實現(xiàn)熱旋過程的熱力耦合數(shù)值分析，實現(xiàn)成形過程的場量與變形規(guī)律預(yù)測顯得尤為重要。Mori等[20]假定熱旋過程為等溫過程，簡化了成形溫度場的模擬。

LI等[21]建立了TA15鈦合金板熱旋成形過程的三維熱力耦合有限元模型，通過設(shè)置合理的溫度邊界條件，實現(xiàn)外部熱源的模擬。Dong等[22]則基于該熱力耦合模型，研究了熱旋成形過程的變形機制，分析了多種成形因素對溫度場分布的影響。研究表明：較高的坯料溫度和工模具預(yù)熱溫度有利于減小厚向溫度分布梯度，偏離率對厚向溫度分布影響復(fù)雜，大的偏離率不利于板料貼模。

4、板料漸進成形

板料漸進成形（incrementa sheet forming，ISF）是一種無模柔性板料成形方法，是指板料在周邊受約束的條件下，利用端部為球形的圓柱形工具頭，借助于數(shù)控銑床或工業(yè)機器人等數(shù)控系統(tǒng)，沿預(yù)先設(shè)定的螺旋線軌跡，依次逐漸使板料發(fā)生塑性變形，從而成形出所需要的薄壁構(gòu)件。ISF技術(shù)成形載荷小，適應(yīng)性強，節(jié)約成本和能耗，適用于小批量或定制式零件的快速制造。若漸進成形過程中僅依靠工具頭施加載荷成形，稱為單點漸進成形；若漸進成形過程中板料背工具頭側(cè)有模具支撐，或板料兩側(cè)均有工具頭作用，則稱之為雙點漸進成形。高溫板料漸進成形（hot incrementa sheet forming，HISF）拓寬了漸進成形技術(shù)在諸如鈦合金等室溫難變形材料方面的應(yīng)用，板料局部或整體達到成形溫度，從而降低成形載荷，減小回彈，改善成形特性。根據(jù)熱源的形式，目前高溫板料漸進成形可分為自阻電加熱板料漸進成形（Electric heating incremental plate formation, EHIF）[23-24]、激光輔助漸進成形（Laser Assisted Incremental Molding）[25]和電阻加熱板料漸進成形[26]等。

自阻電加熱板料漸進成形簡單易行，但不易實現(xiàn)溫度的精確控制。成形過程中電源的一極連接板料，另一極連接工具頭，電流持續(xù)通過工具頭，產(chǎn)生的電阻熱累積引起工具頭溫度升高，加劇了工具頭的氧化和表面磨損，并導(dǎo)致工件表面刮痕。Liu等[23]通過采用GH4169鎳合金工具頭，并結(jié)合動態(tài)局部電加熱、滾動球頭、內(nèi)置水冷系統(tǒng)技術(shù)，提高TC4鈑金件的表面質(zhì)量（見圖3），降低了工具端面的磨損。Naｊafaba-dy等[24]研究了鈦合金自電阻加熱板料漸進成形中各過程參數(shù)對成形件尺寸精度、表面質(zhì)量和加工硬化程度的影響。結(jié)果表明：成形件尖端存在較大的尺寸偏差，而工具頭側(cè)板料表面相較于背工具頭側(cè)具有更好的硬度。

高溫漸進成形質(zhì)量受工藝方案和工藝參數(shù)（如工具頭直徑、進給量、側(cè)壁傾角等）的影響，在工藝方案的選擇中，采用多道次和合適的工具頭軌跡能夠獲得更加均勻的應(yīng)變分布[ 27-29]，Ji等[28]在高溫漸進成形球形件時，采用錐形件作為預(yù)成形，二道次再成形為球形件；Yamashita[29]采用螺旋形的工具頭軌跡，獲得更加均勻的應(yīng)變分布。為了降低工具頭和板料之間的摩擦，改善成形件的表面質(zhì)量，可以在板料上覆蓋潤滑劑，Najafabady等[24]使用Mos2粉末作為潤滑劑，Zhang等[30]使用多孔陶瓷材料覆蓋在板料表面以保持潤滑。Khazaali等[26]研究了成形溫度、進給量、工具頭直徑等對成形極限、回彈、拉伸深度、終成形溫度等的影響，發(fā)現(xiàn)大的進給量和大的工具頭半徑有利于提高成形性及 成形深度，高的成形溫度能夠有效抑制回彈。

5、蠕變成形

蠕變成形[31]是指一定溫度下，金屬板料在工模具的作用下變形獲得理想形狀后，保持溫度和載荷不變，使工件內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力松弛，彈性應(yīng)變向永久塑性應(yīng)變轉(zhuǎn)變，直至殘余應(yīng)力和回彈基本消除，最終冷卻后獲得理想的工件形狀。

蠕變成形過程中蠕變驅(qū)動力為外加應(yīng)力，隨著蠕變進行，彈性應(yīng)變減少使得內(nèi)應(yīng)力減少，外加應(yīng)力也相應(yīng)減少[32]。Xiao等[33]總結(jié)了鈦合金薄壁零件數(shù)控?zé)崂烊渥儚?fù)合成形研究進展。該技術(shù)主要利用自阻加熱方法實現(xiàn)蠕變溫度，能夠適應(yīng)不同規(guī)格、小批量零件的敏捷制造。Deng等[34]研究了L型梁拉彎條件下蠕變成形過程，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力松弛可以劃分為兩個階段：第一階段應(yīng)力下降迅速；第二階段應(yīng)力松弛遲緩。

蠕變與應(yīng)力松弛在機理上是統(tǒng)一的。Liu等[35]研究了熱校形中蠕變與應(yīng)力松弛的關(guān)系。研究表明：鈦合金在低溫低應(yīng)力下蠕變以原子擴散為主，高溫高應(yīng)力下以位錯滑移和攀移為主，而應(yīng)力松弛在不同溫度時均以位錯攀移為主要變形機制。

6、結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了鈦合金板超塑性成形、超塑/擴散連接、熱旋壓成形、漸進成形和蠕變成形等先進成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀和新近進展。由于鈦合金結(jié)構(gòu)件多應(yīng)用于航空航天等重要領(lǐng)

域，要求其具有優(yōu)異的力學(xué)性能，故而鈦合金板成形制造技術(shù)要求高質(zhì)量、低成本、柔性化，并充分發(fā)揮和利用鈦合金的高溫成形特性。結(jié)合鈦合金零件的結(jié)構(gòu)形式，合理地選擇相應(yīng)的成形技術(shù)，或?qū)⒉煌某尚畏绞较嘟Y(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。不同于低溫成形材料，鈦合金在高溫下才能充分發(fā)揮其成形性能，未來開發(fā)或改進鈦合金板料成形技術(shù)過程中，需要探索高效節(jié)能的板料及工模具升溫控溫解決方案，同時避免高溫條件所引起的組織惡化和表面氧化，從而獲得尺寸精度高、力學(xué)性能優(yōu)異的鈦合金結(jié)構(gòu)件，實現(xiàn)輕量化的要求。

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