材料導(dǎo)報(bào)：TC4鈦合金筒形收口件超塑脹形數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究
2022-12-10【作 者】易宗鑫;李小強(qiáng);潘存良;沈正章
【引 言】
TC4 鈦合金因具有優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、軍工、汽車(chē)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］，但 TC4 鈦合金的成形性較差，難以用來(lái)制造變形較大、成形精度較高的零件。超塑性是指材料在一定的溫度和應(yīng)變速率下表現(xiàn)出較大伸長(zhǎng)率的一種特性［4］。有研究表明，當(dāng) TC4 鈦合金晶粒大小均勻、尺寸為10 μm 左右 時(shí)，其在一定的溫度和應(yīng)變速率下具有超塑性［5］。對(duì) TC4 鈦合金進(jìn)行超塑成形，能夠克服 TC4 鈦合金成形性差的缺點(diǎn)［6-9］。
超塑氣脹成形技術(shù)具有模具簡(jiǎn)單、設(shè)備噸位小等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在超塑成形領(lǐng)域，但超塑氣脹成形需要的時(shí)間較長(zhǎng)，且脹形壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)和大量的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，存在較大的誤差。數(shù)值模擬技術(shù)不僅可以描述材料的超塑脹形行為，還能夠反映一定應(yīng)變速率下脹形壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以在節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間的同時(shí)提高成形精度［10-11］。
目前筒形收口件在國(guó)防工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)和日用工業(yè)中應(yīng)用廣泛［12-15］，但 TC4 鈦合金的超塑脹形研究主要集中于超塑性質(zhì)、本構(gòu)模型建立以及盒形件、直筒件的成形工藝和組織演變［16-19］，對(duì)筒形收口件的研究鮮有報(bào)道。這是由于筒形收口件由直筒段和錐形收口段組成，在超塑脹形過(guò)程中直筒段和錐形收口段的貼模順序不同。先貼模的部位應(yīng)變速率很低，未貼模的部位在氣壓的作用下繼續(xù)發(fā)生脹形，脹形過(guò)程中不同部位之間變形量不一致，變形過(guò)程中成形規(guī)律、組織和結(jié)構(gòu)也必然會(huì)存在一定的差異，需要對(duì)其展開(kāi)深入的研究。因此，本工作以 TC4 鈦合金筒形收口件為研究對(duì)象，通過(guò)超塑變形特性分析獲得最佳的超塑脹形溫度和應(yīng)變速率，并在最佳參數(shù)下進(jìn)行超塑脹形數(shù)值模擬，將獲得的壓力-時(shí)間變化曲線(xiàn)用于實(shí)際超塑脹形中，進(jìn)而驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，并對(duì)超塑脹型后的筒形收口件不同部位進(jìn)行組織分析，以探究不同部位組織演變的規(guī)律。
【結(jié) 論】
（1）收口旋壓后的 TC4 合金的最佳超塑脹形參數(shù)為溫度850 ℃、應(yīng)變速率 0. 000 5/s。在該參數(shù)下，TC4 鈦合金的延伸率為 788%，應(yīng)變速率敏感系數(shù) m 為 0. 60。
（2）超塑脹形過(guò)程中，應(yīng)力、應(yīng)變和厚度均呈對(duì)稱(chēng)分布。由于中部收口段和頂部的過(guò)渡區(qū)域最后貼模，應(yīng)力、應(yīng)變最大值和厚度最小值均出現(xiàn)在該區(qū)域。修正后的保壓脹形的最大壓強(qiáng)為 1. 90 MPa。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，相對(duì)誤差為 6. 98%，該模型能夠較好地預(yù)測(cè)變形情況。
（3）TC4 鈦合金筒形收口件超塑脹形后晶粒發(fā)生明顯長(zhǎng)大，在頂部直筒段最大為 17. 9 μm，在中部最小為 14. 7 μm。晶粒的取向發(fā)生改變，端口部和頂部的晶粒在［0001］方向具有取向，中部晶粒在［21 10］方向具有明顯取向。變形量較小的端口處 α 晶粒內(nèi)部發(fā)生大量的位錯(cuò)增殖，中部收口段 α 晶粒內(nèi)產(chǎn)生針狀馬氏體，變形量最大的頂部直筒段有板條狀馬氏體生成。
（4）最終成形的大尺寸收口筒形件薄弱區(qū)發(fā)生馬氏體相變且晶粒粗化，抗拉強(qiáng)度略微提高，屈服強(qiáng)度和延伸率略有下降。
以下是正文：
