鈦工業(yè)進(jìn)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(jì)瑋;陸子川;張緒虎
【前 言】
鈦合金由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，在我國(guó)航天領(lǐng)域的貯箱、氣瓶等壓力容器上得到了廣泛應(yīng)用。
半球形殼體是鈦合金壓力容器的一種常用結(jié)構(gòu)，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(shí)更加困難。近年來隨著深空探測(cè)等項(xiàng)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(yán)格，傳統(tǒng)工藝已經(jīng)不能滿足需求。超塑成形技作為一種先進(jìn)塑性加工手段，在成形精度、上的優(yōu)勢(shì)巨大，特別適合于制造大型薄壁鈦合金構(gòu)件。采用該工藝制造的鈦合金壓力容器在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到初步應(yīng)用。
由于超塑成形過程需要密封，因此成形時(shí)板材一般需要有一個(gè)密封面，該密封面在成形時(shí)會(huì)被壓死并固定，這樣密封面將無法參與變形，板材在變形時(shí)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(shí)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(dāng)，局部可能會(huì)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(shí)現(xiàn)壁厚可控的超塑成形，國(guó)內(nèi)學(xué)者開發(fā)出了很多方法，例如正反脹法、壞料預(yù)加工法、動(dòng)凸模法等。其中正反脹法應(yīng)用較為廣泛。
數(shù)值模擬是進(jìn)行板材超塑脹形過程壁厚預(yù)測(cè)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(duì)某型號(hào)米級(jí)尺寸的大型薄壁鈦合金半球的超塑脹形工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬及工藝實(shí)驗(yàn)，根據(jù)球殼的變壁厚結(jié)構(gòu)，采用正反脹形工藝手段實(shí)現(xiàn)壁厚的按需分配，以提高材料利用率，并制備出最終機(jī)械性能滿足設(shè)計(jì)要求的半球殼。
【結(jié) 論】
（1）根據(jù)數(shù)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(biāo)零件更為匹配。
（2）提出了反脹模具型面回轉(zhuǎn)曲線的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)h、w、p。h、w參數(shù)對(duì)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(shù)規(guī)律；p參數(shù)主要影響球腰的最小壁厚和位置，對(duì)球底壁厚影響校小。
（3）根據(jù)3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律對(duì)超塑脹形模具進(jìn)行了優(yōu)化，采用優(yōu)化后的反脹模具進(jìn)行半球
的超塑脹形，可以得到完全滿足目標(biāo)產(chǎn)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(jié)果吻合較好。超塑脹形后TC4鈦合金晶粒有所長(zhǎng)大，但仍維持等軸晶組織，材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所下降，延伸率有所提高。材料性能滿足設(shè)計(jì)要求。
以下是正文：
