鈦工業(yè)進展：大型變壁厚TC4半球超塑脹形工藝研究
2022-03-02【作 者】 微石;陰中煒;紀瑋;陸子川;張緒虎
【前 言】
鈦合金由于其輕質、高強的特點，在我國航天領域的貯箱、氣瓶等壓力容器上得到了廣泛應用。
半球形殼體是鈦合金壓力容器的一種常用結構，傳統(tǒng)工藝一般采用鍛造、沖壓、旋壓制作，這些工藝成形精度美、材料利用率低，
在制造大型半球時更加困難。近年來隨著深空探測等項目的快速發(fā)展，鈦合金壓力容器的尺寸越做越大，但成本卻要求十分嚴格，傳統(tǒng)工藝已經不能滿足需求。超塑成形技作為一種先進塑性加工手段，在成形精度、上的優(yōu)勢巨大，特別適合于制造大型薄壁鈦合金構件。采用該工藝制造的鈦合金壓力容器在航空航天領域已經得到初步應用。
由于超塑成形過程需要密封，因此成形時板材一般需要有一個密封面，該密封面在成形時會被壓死并固定，這樣密封面將無法參與變形，板材在變形時表面積的增大完全依靠板材在模具型腔部分材料自身的拉薄，這與傳統(tǒng)的沖壓工藝區(qū)別很大。超塑成形時材料的拉伸減薄將顯著高于傳統(tǒng)沖壓方式，如果工藝控制不當，局部可能會存在厚度過低甚至拉裂的情況，無法滿足后續(xù)工藝要求。
為了實現(xiàn)壁厚可控的超塑成形，國內學者開發(fā)出了很多方法，例如正反脹法、壞料預加工法、動凸模法等。其中正反脹法應用較為廣泛。
數值模擬是進行板材超塑脹形過程壁厚預測的一種有效手段，它能夠大幅提升超塑模具的試模成功率，顯著提高效率并降低成本。本研究針對某型號米級尺寸的大型薄壁鈦合金半球的超塑脹形工藝進行了數值模擬及工藝實驗，根據球殼的變壁厚結構，采用正反脹形工藝手段實現(xiàn)壁厚的按需分配，以提高材料利用率，并制備出最終機械性能滿足設計要求的半球殼。
【結 論】
（1）根據數值模擬，采用正反脹形方法可將單向脹形后TC4球殼從赤道到球底厚→薄的壁厚分布規(guī)律改變?yōu)楹瘛 竦姆植家?guī)律，
這種分布規(guī)律與目標零件更為匹配。
（2）提出了反脹模具型面回轉曲線的3個關鍵參數h、w、p。h、w參數對球底和球腰壁厚均有顯著影響，前者呈線性規(guī)律后者呈指數規(guī)律；p參數主要影響球腰的最小壁厚和位置，對球底壁厚影響校小。
（3）根據3個關鍵參數的影響規(guī)律對超塑脹形模具進行了優(yōu)化，采用優(yōu)化后的反脹模具進行半球
的超塑脹形，可以得到完全滿足目標產品壁厚需求的超塑毛坯。
（4）正反脹形成形的半球殼毛坯與模擬結果吻合較好。超塑脹形后TC4鈦合金晶粒有所長大，但仍維持等軸晶組織，材料屈服強度和抗拉強度有所下降，延伸率有所提高。材料性能滿足設計要求。
以下是正文：
