钛合金零件热成型工艺的研究及应用

钛及钛合金由于具有比强度高、抗腐蚀性好、耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零件成型和机械加工。钛合金材料在一定的高温下抗拉强度会降低、塑性会提高，因此对钛合金进行加热能有效提高其成型极限。在达到一定温度后，钛合金的内部组织会重新排列，此阶段称为高温蠕变阶段，此工艺方法称为钛合金热成型。某型机侧板为带加强筋的钛合金结构件，角材为加强飞机蒙皮强度要求的结构件。钛合金材料在室温下抗拉强度高，冲压性和切削加工性差，难以在室温下成型。为提高钛合金材料热成型技术应用水平，结合某型机生产实际，选取TC4-M和TC1-M不同规格的常用钛合金材料进行热成型研究。

1、方案设计

目前，国内外钛合金的成型方法主要有用偶合模的热蠕变成型、热校形、蒙皮类零件的冷拉或热拉伸成型、真空蠕变成型以及超塑成型等。文章选取偶合模的热蠕变成型为研究对象。

1.1　用偶合模的热蠕变成型特点及方法

钛合金的冷成型性差，但如果将其加热至高温，则其塑性大大提高，变得较为柔软而易于成型。在毛料加压贴模后，若继续加压和保温，材料会因蠕变而使内部应力逐渐消失，大大提高了零件精度，减少了回弹。具体操作方法是将偶合模安装在热蠕变机床上，依靠机床工作平台面上的电热平台加热模具与毛料，然后加压并保温保压，直至零件成型完毕。

1.2　零件热蠕变成型方案设计

1.2.1　研究对象

在某型无人机的基础上，选择不同规格的两种常用钛合金材料（共4项零件）作为研究对象，对4项零件进行编号，对应其零件名称、材料牌号、材料规格毛料尺寸。

1.2.2　工艺分析

据资料分析，TC1合金在550～650℃时抗拉强度明显降低，TC4合金在650～750℃时抗拉强度明显降低。1、2、4号零件为带理论外缘的角材类零件。

其中：1、2号件的成型温度相同，成型压力因材料规格的不同而不同；4号件由于材料与1、2号件不同，成型温度及成型压力也存在区别。3号件的形状为全新的状态，没有可供参考的资料。

1.2.3　设备选择

根据加热对象、主要特点及适应工序，研究选用电热平台加热，设备为热成型压床。该设备热平台尺寸为1200mm×1000mm，最高表面温度为1000℃，模具温度准确度为±5℃。

1.2.4　模具设计

热成型压床为电热平台加热模具及毛料，升温时间为10～15h，生产成本较高。为降低生产成本，在保障零件质量的前提下，将模具结构设计为“一模多件”。TC1合金的热成型温度范围为550～650℃，TC4合金的热成型温度范围为650～750℃，所以选用具备抗氧化性、热硬度和热强度较好的中硅钼铸铁来制造热成型模具。热成型模具上、下模之间的定位通常采用定位销和导向块两种方式。

定位销一般装于下模的零件边沿线之外，距零件边沿线10～15mm。视模具和零件的情况配置2～4个，直径不小于10mm，销孔直径应比销钉大1mm。销钉材料应和模具相同或更好一些。导向块应焊接在模具上，导向块和导槽之间的单面间隙取0.5mm。

为防止零件在热成型时发生位置偏差，需要零件定位协调。对于已修剪到最终尺寸的零件，其在模具上的定位更重要。为控制和记录成型温度，需在热成型模上制出热电偶孔。为了在高温下迅速取出贴模的零件又不使其变形，应在模具上制出取件槽，以便夹钳伸入。取件槽应位于模具端头零件边沿线之外约5mm处。

无论是锻造还是铸造的模具毛坯，必须进行时效或热稳定性处理（退火），以免发生变形。模具的设计必须按热成型压床的技术特性进行。模具的外廓尺寸限制需参考热成型压床的模具最大允许尺寸。考虑到模具的刚度，设计时上模、下模、侧压模块均应适当加厚。

2、方案的实施

2.1　试压

试压是验证成型模具的间隙设计和制造是否合理，检验零件的成型性能，确定零件展开件的一种工艺方法。

2.1.1　试压材料的选取

TC1钛合金材料在成型温度达到600℃时，抗拉强度σb≤215MPa，材料伸长率δ5=58%。TC4钛合金材料在成型温度达到700℃时，抗拉强度σb≤200MPa，材料伸长率δ5=65%[1]。经过查阅相关资料并进行对比，室温下材料牌号为LY12M的铝合金材料抗拉强度σb≤215MPa，伸长率δ=14%，接近于TC1、TC4钛合金蠕变阶段板材料成型的指标[2]。

2.1.2　试压方法

将热成型模具装夹在热成型压床上，采用与钛合金材料同规格的铝合金材料LY12M。室温下进行材料成型的试压。试压时，在模具上涂红铅油，根据试压情况修整模具，直到用铝合金材料LY12M制造的零件合格为止。按室温下试压合格的热成型模具，根据4项零件热成型参数对钛合金材料进行热成型。在钛合金零件热成型的过程中，在保证热成型模具在中温的强度要求下，可以适当增加热成型设备的主缸压力，确保钛合金零件的贴胎度[3]。

2.2　钛合金材料热成型过程中的注意事项

第一，展开毛料，按铝合金材料LY12M试压的展开件进行下料。下料应避免毛料边缘产生裂纹，以及边缘粗糙、凸凹不平、啃伤、剪痕等缺陷。

第二，为减少和避免对成型模具造成损伤，钛合金毛料在成型前都应打毛刺和去锐边。毛料边缘应在将要变形的部位打光，以消除应力集中，防止材料在成型时开裂。冲切的孔、开口以及螺栓孔、定位孔等，应在两面去掉孔的毛刺。可用锉削或带磨（金钢砂）方法去毛刺或打光，同时毛料边缘产生的划痕应平行于板材表面[4-5]。

第三，毛料上不允许打钢印，可在毛料或标签上打胶印。

第四，钛合金板料在室温下的冲压成型，尤其是对形状变化很大的复杂零件，毛料与模具之间会产生很大的变形抗力和摩擦，而钛合金板料的抗摩擦性不好，易使冲过凹模圆角的零件表面发生擦伤。在高温下冲压成型时，这种情况将更严重，还会因高温下容易黏模卡住，导致零件难以从模具上取下，或取件时易导致零件变形。为避免擦伤，使取件顺利，保证零件质量，必须在冲压成型时使用润滑剂。

第五，在室温下的冲压成型，可在钛合金板料表面喷涂过氯乙烯防腐清漆（牌号为G52-2）。它是将过氯乙烯树脂及增韧剂溶于有机混合溶剂（苯类、酯类及酮类）的溶液，能在室温下很快干燥，形成一层坚固的保护膜，能够承受较高的单位压力，防止毛料与模具直接接触。冲压时，应使用机油对模具进行补充润滑。冲压后，用有机稀释剂除掉保护膜。第六，在高温下的冲压成型，可在钛合金板料表面喷涂胶体石墨水溶液润滑剂。它是一种高纯石墨分散悬浮于水的石墨乳，能在室温下很快干燥，形成一层致密的石墨膜。冲压时，它能良好保持，有利于零件的脱模。此外，在温度不高于650℃时，它对防止零件擦伤具有明显作用。冲压后，立即用热水清洗去除石墨膜。

第七，可用毛刷或喷雾器将润滑剂喷涂在板料表面，注意喷涂前需将板料清洗干净。

2.3　钛合金零件热成型后边缘的剪切和修理要求

第一，钛合金零件的边缘，除有特殊规定外，应倒棱或倒圆至半径约为0.2mm。该尺寸可目视检查，但所有断裂不平、粗糙部分、凸起、刻伤和凹痕都必须去除。

第二，钛合金零件的边缘剪切可用切边模（包括切断模、切开模等），也可利用振动剪床和手剪刀（用于薄料）。

第三，对厚度不大于1.2mm的TC1和TC4合金零件，在能保证良好的剪切质量的前提下，可剪切到零件尺寸，不必留修边余量。

第四，对厚度在1.0mm以内的零件，用金刚砂轮或锉削的方法去毛刺、打光和倒圆，要求磨削方向平行材料表面。对较厚的板材应考虑使用其他（如铣切等机械加工）方法清理边缘。

2.4　钛合金材料表面处理

第一，去氧化皮。板材在加热过程中表面生成一层氧化皮。加热到350～400℃时，氧化皮的颜色是淡稻草色；温度更高时，颜色变暗；450℃时，氧化皮是黄色；500～550℃时，氧化皮是紫色；600～650℃时，氧化皮是蓝色；700～900℃时，氧化皮是灰色；超过900℃时，氧化皮是棕色。氧化皮的厚度随温度变化，温度650℃时为0.0025～0.0050mm，700～750℃时为0.0050～0.0075mm，800～850℃时为0.020～0.025mm，900～950℃时为0.04～0.05mm，1000℃时约为0.1mm，1100℃时约为0.36mm。在温度低于700℃的一次短时加热中，板材表面氧化得很轻，实际上对板料冲压性并无影响。因此，一次短时加热后不必去氧化皮，只有经两三次加热后才需去氧化皮。零件最终制成后，则必须去氧化皮。

第二，油脂在加热时形成碳垢，会给去氧化皮的工作带来困难，因此需要加热的毛料或零件，在加热前应仔细用有机溶剂（汽油、洗涤剂）先行除油，清洗干净。

第三，零件经过去氧化皮的清理后，不允许进行对成品零件表面质量起破坏作用的补充变形工序。

2.5　零件验收

2.5.1　零件表面质量要求

零件表面在加工成型过程中，原则上不允许产生表面缺陷。如果产生了新的划伤、擦伤、轻微的凹坑，以及成型过程中有使用工具的痕迹，允许用细砂布打磨使其光滑、呈流线型，但其深度不得超出板料厚度的负偏差的一半。对零件表面的裂纹、波纹等缺陷，可用15倍放大镜目视检查。仍有怀疑时，可用25倍放大镜复查。

2.5.2　零件边缘质量要求

所有钛合金零件经切割或冲切后的边缘，包括冲切的口及开口，均需去毛刺和修光，不得有裂纹。所有断裂不平、粗糙部分、凸出、刻伤和凹痕都必须除去，全部边缘应去锐边和倒圆至R0.2mm。打磨方向应平行于板料表面，边缘表面光度需满足要求。

2.5.3　零件弯边的角度公差要求

对于其他零件相配的成型弯边，角度公差应保持在2°以内。对不与其他零件相配的90°加强弯边，角度公差应保持在5°以内。

2.5.4　零件的金属变薄量要求

除有特殊规定外，板材零件由成型引起的厚度变薄量不会超过名义厚度的5%。拉深件或带有拉深性质的复杂弯曲件和冲压件，允许局部变薄到名义厚度的70%。

4、结语

通过对热成型过程每一环节关键技术的研究，如工装选择、工装设计、工装试压、热成型工艺参数确定、零件切割、零件校形等，采用合理的热成型工艺参数制造出合格的4项钛合金零件。钛合金热成型工艺参数的确定和验证方法，可为广泛使用钛合金零件提供技术保证。

参考文献

[1]林兆荣，熊志卿.钛板高温机械性能与热成形工艺参数[M].南京：南京航空学院，1985.

[2]《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册：飞机钣金工艺[M].北京：航空工业出版社，1992.

[3]杨志强，张俊，刘卫东，等.TC6钛合金叶片裂纹的产生原因[J].理化检验-物理分册，2023（5）：44-46.

[4]李博，史新鑫，齐风华，等.Ti70合金板热成型组织性能研究[J].科技创新与应用，2023（9）：69-72.

[5]史文祥，章文亮，陈明和，等.TB8钛合金复杂外形桨叶前缘蒙皮多步热成形工艺研究[J].航空制造技术，2021（8）：84-91.

相关链接