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钛合金温度_超声复合能场辅助成形及应用

发布时间:2024-06-17 21:54:25 浏览次数 :

引言

“一代材料, 一代飞机”, 是世界航空发展史的真实写照, 一百多年来, 材料与飞机在相互推动下不断发展。 现阶段, 随着人们对飞机使用性能、 安全性能以及承载能力要求的不断提高, 飞机机体结构材料的选用也由最初的木、 布结构, 发展到铝合金、 钛合金及复合材料等与功能需求密切相关的互相促进、 优势互补的阶段。 相较其它金属材料, 钛合金具有密度低、 强度高、 耐高低温和耐腐蚀性强以及与复合材料相容性好等优点, 具有其它金属不可替代的作用。 钛合金自 20 世纪 50 年代首次在飞机机身上应用以来, 其应用范围得到了极大发展, 在飞机及发动机上的用量不断增加[1-2]。 现有资料表明, 采用钛合金代替铝合金可使飞行器表面耐热温度由 200℃提高到 350~400℃, 利用钛合金代替不锈钢可以使发动机重量减轻 40~50%。 因此, 钛合金已成为新一代飞机设计中的首选材料, 其用量已经成为衡量飞机用材先进性程度的重要标志之一[3-4]。

“一代材料, 一代工艺”, 随着钛合金等新材料的出现, 一方面材料性能及功能指标不断提高, 另一方面也给零部件的高质量制造带来了较大难度,需要多工艺、 多方法的复合, 来获得单一工艺所无法达到的性能, 同时还要尽量做到节约能源、 降低成本。 钛合金中尤其是难变形钛合金, 具有伸长率低、 变形抗力大、 弹性模量小、 室温变形能力差以及成形零件回弹大等缺点, 导致成形质量和尺寸精度难以保证[5-6]。 为了提高钛合金的成形性能, 一般多采用引入一定形式能量的辅助成形方式, 如引入温度场的热成形、 引入电场或磁场的电脉冲成形和电磁成形等方式[7-9]。 其中, 热成形是钛合金主要成形方法, 成形过程中将坯料加热到一定温度,利用材料高温软化效应提高塑性变形能力, 并且能够有效减少回弹。 现有资料显示, 在航空、 航天等领域中, 80%以上的钛合金钣金零件均采用热成形制造, 如飞机的蒙皮、 隔热框、 整流罩以及发动机冷端部件等[10]。

超声振动辅助成形是对被加工材料 (或模具)施加一定方向、 一定频率和能量的超声振动, 利用高频振动能量辅助完成各种塑性成形工艺。 与传统成形相比, 超声振动辅助成形过程会产生两种特殊效应, 一种是超声振动对试件内部应力产生影响的体积效应, 另一种是超声振动对模具与坯料之间摩擦产生影响的表面效应。 利用超声振动的这两种特殊效应, 不仅可以降低材料的成形力, 减小模具与试件之间的摩擦因数, 同时还可以提高材料的成形性能和成形质量, 也是提高钛合金塑性变形能力的一种较好方法[11-14]。 如 ANDERHASTENM 等[15] 进行的 TC4 钛合金超声振动辅助拉伸实验结果表明, 施加超声振动后材料的伸长率提高了 13%; 何玉石等[16]进行的 TA1 钛箔超声振动辅助拉伸实验结果表明, 施 加 超 声 振 动 后 TA1 钛 箔 伸 长 率 提 高 了14. 13%。 高铁军等[17] 对 TA2 钛合金薄壁圆筒件超声振动拉深工艺进行了研究, 结果表明, 超声振动的施加可以有效抑制成形试件回弹, 从而有助于钛合金拉深件成形质量的提高。

上述研究显示, 通过温度和超声振动等能量形式均可以提高钛合金的塑性变形能力和成形质量,如果将这两种能场进行复合, 简称复合能场 (Com-pound Energy Field, CEF), 也就是说在一定温度条件下施加超声振动, 将是进一步提高钛合金塑性变形能力和成形质量的有效途径。 本文从温度/ 超声复合能场辅助对钛合金力学性能、 微观组织、 成形过程中界面摩擦以及典型零件成形影响等方面进行了简要介绍, 并对其发展前景进行了总结和展望。

1、 复合能场成形原理及装置

图 1 为温度/ 超声复合能场辅助成形原理及装置简图。 复合能场成形在传统热成形基础上, 通过调整模具结构、 增加超声振动辅助工装即可实现。 成形装置主要由超声振动系统、 温度控制系统及成形模具 3 部分组成, 其中超声振动系统提供成形所需的不同频率和功率的振动能场, 温度控制系统提供成形所需的温度场, 成形模具主要保证成形零件的质量和精度。

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相比较而言, 该方法具有操作简单、 可实现性强等优点, 尤其是近年来随着超声发生器功率的不断提高, 可提供能量不断增大, 以及高温条件下可使材料软化效果增强, 这种方法不仅可用于微/ 小尺寸零件, 还可用于中/ 大尺寸零件的冲裁、 弯曲、 胀形及拉深等。 如果对结构装置进行适当改进, 还可用于旋压、 渐进成形等过程[18-20]。

2 、复合能场对钛合金力学性能的影响

体积效应是超声振动辅助成形的典型特征, 宏观上表现为材料的流动应力降低、 加工硬化减弱,这种现象与材料温度场下的软化效果基本一致, 因此与温度场复合其效果更好。 图 2 为不同温度/ 超声复合能场下 TC4 钛合金应力-应变曲线 (其中所采用的超声振动频率为 20kHz, 以下相同) [21]。 由图可知, 当温度超过 500℃ 时钛合金流动应力降低,伸长率增大, 呈现出明显的 “高温软化” 现象。 从图 2 中还可以看出, 在相同温度条件下施加超声振动后, 材料的流动应力进一步降低, 同时在适当超声能量条件下材料的可变形能力增大。 从而说明超声振动能场与温度场复合过程不仅增强了材料内部原子活性, 对材料内部及变形机制也有较大影响,因此在适当条件下 TC4 钛合金塑性变形能力所有提高。

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同时, 由于钛合金为密排六方晶格结构, 滑移系较少、 对称性较低, 板材轧制过程中具有极大织构倾向, 导致板材在不同轧制方向具有很强的各向异性, 影响板材均匀变形能力和成形零件质量。 图3 为复合能场下 TC4 钛合金不同轧制方向下拉伸试件的应力-应变曲线。 从图中可以看出, 沿不同轧制方向的强度和变形能力相差较大, 其中 0°方向最好、 90°次之、 45°最差; 但当与超声振动能场复合后, 对于 45°和 90°拉伸试件, 在强度降低的同时,应变的提高幅度更为明显, 有效抑制了钛合金的各向异性, 从而也为复杂零件均匀性变形提供了一定条件[22]。

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另外, 热成形过程加载速度也是影响钛合金板材成形性能的重要因素之一。 通过温度/ 超声/ 加载速度的对比研究发现, 对于钛合金的塑性变形能力,在高温条件下, 相比较速度而言, 超声振动对伸长率的影响更大, 也就是说通过超声振动辅助能场可以实现在较低拉伸速度条件下获得较大的伸长率,如图 4 所示[23]。 另外对 TC1、 TC2 钛合金的研究也有类 似 结 果[24]。 此 外, 崔 子 扬[25] 对 高 温 条 件 下TC4 钛合金超声振动辅助应力松弛过程进行了研究,结果表明超声振动应力叠加和超声软化效应能够显著加速应力松弛进程。

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针对温度/ 超声复合能场成形过程的研究, 还需要考虑其对钛合金微观组织的影响, 如果变形过程中微观组织变化较大, 尤其是粗大晶粒的产生将会影响试件的使用性能。 图 5[22] 和图 6 分别为复合能场下 TC4 钛合金拉伸试件金相组织分析和断口扫描。 从图 5 中可以看出, 与单一温度场相比较, 同一温度下的复合能场对 TC4 钛合金的微观组织影响不大。 从图 6 中可以看出, 单一温度场条件下 TC4钛合金的断裂方式属于穿晶韧窝状断裂, 而复合能场条件下 TC4 钛合金断裂后的韧窝尺寸明显增大,深度也明显增加, 从而进一步说明了 “材料软化”现象的增强[22]。

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3 、复合能场对钛合金与模具间摩擦的影响

板材成形过程中由于坯料与模具表面的凹凸不平, 在接触压力作用下会产生摩擦, 不仅会使钣金件或模具表面出现划伤、 划痕甚至报废, 还会影响坯料应力分布、 变形规律以及工艺可行性。 因此,摩擦与起皱、 破裂等一样是钣金成形过程中不可忽视的问题。 大多数情况下, 一般是通过提高模具表面质量从而减小坯料与模具之间的摩擦, 保证坯料在变形过程充分流动[26]。

表面效应是超声振动辅助成形的另一典型特征,一方面超声振动辅助能场会使坯料与模具之间产生较大动能, 出现瞬间接触和分离, 使润滑介质更容易进入并储存在接触界面中, 从而使摩擦因数和摩擦力降低; 另一方面, 超声振动还会引起坯料与模具之间的相对速度增加、 局部热效应增强, 减小了局 部 粘 焊 现 象, 也 会 使 摩 擦 因 数 和 摩 擦 力 降低[27-28]。 而在高温条件下, 一方面坯料与模具的强度和刚度有所降低, 接触面之间黏着磨损更加严重,从而使摩擦因数和摩擦力增大; 另一方面坯料与模具都会发生热膨胀, 使二者之间的挤压力增强, 也会导致摩擦因数和摩擦力增大[29]。 这与超声振动辅助能场产生的表面效应正好相反。

图 7 为基于滑动摩擦实验得到的复合能场下TC4 钛合金与 SUS321 不锈钢之间的摩擦力与滑动距离关系[30]。 从图中可以看出, 单一温度场条件下,随着温度的升高摩擦力增大; 而与超声能场复合后,随着超声振动能量的增大摩擦因数不断降低, 并且温度越高降低幅度越大 (图 8), 这与室温条件下材料表面效应基本吻合[30]。 为了进一步确定高温条件下的表面效应的影响, 对 TC4 钛合金表面磨损情况进行了分析, 如图 9 所示。 相较单一温度场, 复合能场条件下的试件表面磨损情况较轻, 磨痕和犁沟较浅并保留着大量原始表面。

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4、 复合能场辅助钛合金成形及应用

弯曲作为钣金类零件的重要加工方式, 可以较为直观地反映成形零件的尺寸精度和形状稳定性。

图 10 为复合能场作用下弯曲力和凸模行程之间的关系曲线[24]。 自由弯曲阶段 (图中实线), 由于复合能场使材料的高温软化效果增强以及坯料与模具之间的摩擦因数减小, 从而使弯曲力降低, 并且降低幅度与超声能量成正比; 在校正弯曲阶段 (图中虚线), 施加超声振动后, 由于试件回弹量的减小以及尺寸精度的提高, 提前进入校正阶段, 并且随着超声振动能量的增大, 校正阶段越提前。

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图 11 为复合能场下 TC2 弯曲试件的回弹量的对比[24], 随着温度的升高和超声振动能量的增大,弯曲件的回弹量不断减小。 通过数据对比可知, 温度为 500℃时, 复合功率为 1.0kW的超声振动后,对 TC2 弯曲回弹的抑制效果与 550℃ 单一温度场时的一致。 经过温度为 550℃、 复合功率为 1. 0kW的超声振动后, 与 600℃ 单一温度场时的一致。 即复合超声振动能场后, 在相同质量条件下可以降低温度场的温度, 从而有利于节能减排和生产成本的降低[24]。 除此之外, 何东芳等[31] 的研究结果表明,复合能场还可以减小钛合金在塑性成形阶段和保压校正阶段的弯曲力。

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在航空制造领域, 弯边结构是飞机框肋类零件的主要结构特征, 具有较强的代表性。 成形过程按照弯边类型可划分为直线弯边、 凸曲线弯边及凹曲线弯边等。 其中, 凸曲线弯边区域材料主要受压应力作用, 易发生起皱; 凹曲线弯边变形区材料主要受拉应力作用, 易发生翘曲; 如果零件材料为钛合金, 则起皱、 翘曲及回弹等质量问题会更严重。

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图 12[32]为不同复合能场下的 TC1 钛合金复杂弯边件, 试件上半部分主要为直线和凸曲线弯边, 下半部分主要为凹曲线弯边, 为了便于分析选取试件典型位置 1~10 进行测量。 图 13 为 TC1 弯边件典型位置测量结果。 从图 12 中可以看出, 由于试件弯边高度较小, 凸曲线弯边部分没有出现明显起皱现象, 但存在翘曲、 回弹和变形不均匀现象。 

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从图 13 中可以看出, 相比较单一温度场, 复合能场对抑制弯边件的回弹和提高弯边高度的均匀性的效果要好很多, 这主要与复合能场对材料性能 (含各向异性)、 微观组织、界面摩擦、 变形机理等方面产生的影响有关[32]。

5 、结语及展望

超声振动辅助成形作为一项具有特色的板材成形技术, 较普通塑性成形方法, 前者能够有效降低材料所需的成形力, 提高板材变形能力, 改善试件表面质量, 同时还可以消除成形过程中产生的残余应力, 已在钢、 铝合金、 镁合金及钛合金等中、 小、微尺寸零件的冲裁、 拉深、 弯曲和胀形等成形过程中得到了应用。 除此之外, 还可以与温度、 激光、电场及磁场等其它能场复合, 为难变形、 复杂形状钣金件的高质量成形提供新途径。 尤其是在与温度场复合过程中, 借助材料高温软化和超声振动的复合效应, 对钛合金成形性能、 成形质量等方面均有不同程度的提升, 进一步凸显了特色优势。 然而,在温度与超声能场的复合过程中, 还存在能场之间的匹配协调、 工艺参数的优化控制以及相关专用设备开发等问题, 还有待进一步深入研究。

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