閆亮亮，童國權，劉劍超，劉海建，劉太盈，熊亮同

(1. 南京航空航天大學機電學院，南京 210016；2.北京星航機械裝備有限公司，北京 100074)

超塑成形/擴散連接（Superplastic Forming/Diffusion Bonding, SPF/DB）技術是一種推動現(xiàn)代航空航天結構設計概念發(fā)展和突破傳統(tǒng)鈑金成形方法的先進制造技術，采用SPF/DB技術制造的鈦合金結構件已廣泛應用于航空航天領域，并取得良好的技術效益和經濟效益[1-2]。但在SPF/DB的研究和應用方面，主要側重于α+β兩相鈦合金TC4[1-3]，而對于可以在500℃下長期工作、能夠滿足3Ma以上高速飛行器需求的近α型鈦合金TA15的研究報道較少。在超塑單向拉伸基礎上，針對TA15四層SPF/DB試驗件，本文進行了數(shù)值模擬，獲得了超塑加載壓力p-時間t曲線，并開展了四層SPF/DB工藝試驗，成功制備了四層TA15空心試驗件。

1 材料及試驗模具

TAl5（BT20）合金是前蘇聯(lián)研制的一種高Al當量的近α型鈦合金，其名義成分為Ti-6A1-2Zr-1Mo-1V。本試驗所用TA15板材厚度為1.0mm和1.2mm，由寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產。試驗模具型腔尺寸為238mm×188mm×40mm，型腔側壁單面斜度為18°，上下型腔對稱。試驗模具材料為Ni7N。

2 有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

為了提高有限元計算效率和方便觀察芯板成形過程，取四層板的1/2結構進行有限元模擬，選用Marc軟件提供的Thick Shell 140單元類型，在用AUTOMESH進行網(wǎng)格劃分時，采用四邊形單元，共劃分為18450個單元。

2.2 材料參數(shù)及超塑本構方程的確立

在超塑成形溫度下，超塑材料的本構方程可表示為σ=K˙εm，式中，K為材料常數(shù)、m為應變速率敏感性指數(shù)[4]。在超塑變形中，如果應變速率變化不大，K和m都可近似地看作常數(shù)。

為了確定材料常數(shù)，在溫度880、900、920和930℃下，進行了TA15恒應變速率超塑單向拉伸試驗，每一個溫度下，在 3.28×10-5～1.68×10-2s-1之間用10根試樣進行超塑拉伸試驗。結果表明：TA15合金最佳超塑變形條件為920℃和5.25×10-4s-1，此時最大延伸率δ為1100%，m≈0.57；在930℃和5.25×10-4s-1下，δ為1030%。鑒于TA15四層板SPF/DB試驗件具有較大面積需要擴散連接，本文選取溫度930℃和應變速率5.25×10-4s-1為四層板結構SPF/DB的工藝條件，在此條件下，TA15合金的超塑本構方程為σ=9490.55，原始試件與該條件下拉伸斷裂后的試件照片如圖1所示。

依據(jù)TA15超塑拉伸試驗，選取了材料的超塑成形工藝參數(shù)m=0.55和K=949，應變速率=5.25×10-4s-1。由于超塑性變形過程屬于大變形問題，回彈極小，基本忽略彈性變形，采用剛塑性模型[5]，定義材料參數(shù)時選用POWER LAW準則，其中n=0.55，B=949。

2.3 邊界條件定義

板料四周壓邊以及焊縫處全約束，對稱面限制垂直于面方向的移動，對板料表面施加超塑性控制的面載荷，以及第一階段成形后面板的約束。

2.4 接觸設置

模具定義為剛體[6]，面板整體定義為1個變形體，另將芯板與面板擴散連接區(qū)域、芯板與芯板擴散連接區(qū)域和芯板不需要擴散連接區(qū)域分別定義為3個不同的變形體，根據(jù)成形過程的兩個階段定義兩個接觸表：第1個定義面板與模具的接觸；第2個定義芯板與面板、芯板之間的接觸。

2.5 分析及模擬結果

定義超塑性壓力控制，采用的壓力大小范圍在0.001～2.0MPa，目標應變速率參考拉伸試驗設置為0.000525s-1，采用最大應變速率恒定法加載壓力，設置總的工況時間4500s，固定步長時間5s[6-9]。

圖1 TA15在930℃和5.25×10-4 s-1下超塑拉伸斷裂試樣（最大延伸率δ為1030%）Fig.1 Superplastic tensile failure sample of TA15 at 930℃ and 5.25×10-4 s-1（maximun elongation δ：1030%）

圖2 TA15四層板結構超塑成形過程模擬Fig.2 Simulation of TA15 four-sheet structure's superplastic forming processes

圖3 TA15四層板結構SPF/DB壓力p-時間t曲線Fig.3 Pressure-time curves (p-t) of TA15 four-sheet structure's SPF/DB process

作業(yè)參數(shù)設置中接觸控制選擇修正的庫侖摩擦模型，臨界相對速度2×10-5mm/s，在非線性分析中選擇大應變、載荷為隨動力。

模擬結果得到四層板的成形過程與壓力曲線，鈦合金四層板結構超塑成形的模擬過程如圖2所示。在應變速率5.25×10-4s-1，超塑壓力2.0MPa條件下，MSC.Marc軟件生成的壓力p-時間t曲線如圖3所示，該理論曲線經過適當修改可用作試驗研究的工藝曲線。

3 試驗與結果分析

3.1 TA15四層板結構SPF/DB試驗

本文選定的TA15四層板結構有3×3共9個筋格，由兩個面板和兩個芯板組成，面板厚度為1mm，芯板厚度為1.2mm，毛坯外形尺寸310mm×246mm。

TA15四層板SPF/DB整個試驗過程大致分為3個階段：（1）前期準備階段，包括板料準備、止焊劑涂敷和板料周邊焊接等；（2）成形試驗階段，包括模具加熱和到達目標溫度后的成形等；（3）成形后處理，包括降溫取件、表面處理和金相組織分析等。其中試驗過程又分為兩個階段：（1）面板 SPF、芯板 DB 階段；（2）芯板 SPF、芯板之間的DB以及芯板和面板之間的DB階段。

TA15四層板結構SPF/DB成形溫度選定為T=930℃，為了保證擴散連接接頭的焊合率，對有限元模擬獲得的壓力p-時間t曲線進行修正。對圖3（a）的第一成形階段,在2.0MPa下保壓2400s后，將擴散連接壓力提高至2.5MPa；對圖3（b）的第二成形階段，在2.0MPa下保壓3600s后，將擴散連接壓力提高至2.5MPa。第一階段成形時間t1=7240s，第二階段成形時間t2=14260s。

TA15四層板SPF/DB成形件照片如圖4所示，成形件整體效果良好，表面無溝槽等缺陷，直立加強筋完全成形，且接頭部位處于零件的上下對稱面上，需要擴散連接的部位全部實現(xiàn)了連接。

韓文波等[10]報道了TC4四層空心瓦楞結構SPF/DB的研究結果，其成形過程為：在一個熱循環(huán)中，先將4塊板料按需在要連接的部位進行DB，接著對毛坯進行SPF，由于面板上已經DB區(qū)域的厚度遠大于其余區(qū)域，因此其試驗件表面出現(xiàn)了明顯的溝槽。而本文的成形過程為：在一個熱循環(huán)中，2塊面板SPF的同時，2塊芯板在需要連接的部位DB，在面板/芯板之間卸載后，接著進行芯板SPF、芯板/芯板DB以及芯板/面板DB，TA15成形件表面沒有出現(xiàn)溝槽。

3.2 擴散連接質量分析

為了分析TA15四層SPF/DB試驗件擴散連接的質量，在試驗件的4個部位切取金相試樣，如圖4所示。A位置是面板與芯板圓角處擴散連接部位；B位置是直立加強筋靠近三角區(qū)的擴散連接部位；C位置是面板與芯板擴散連接部位；D位置是直立加強筋接頭擴散連接部位。

試驗件擴散連接位置金相組織，成形后的TA15合金的晶粒為均勻的柱狀晶粒組織，晶粒的尺寸大小約15μm。由擴散連接接頭金相組織照片可知：A、C、D位置擴散連接情況均良好，連接界面幾乎完全消失；B位置的連接界面基本消失，只出現(xiàn)了少許空洞，這是因為B位置三角區(qū)域是芯板最后成形的部位，芯板與面板之間會有一些殘留的氣體，不可避免的產生了微小空洞。整體來說，試驗件各個位置擴散連接的情況基本一致，各連接處均實現(xiàn)了良好可靠的冶金連接，形成了一個整體且?guī)缀鯖]有缺陷。本文試驗研究結果為TA15合金SPF/DB結構在高速飛行器上的應用提供了可靠的成形工藝數(shù)據(jù)，并為具有預置鈦合金塊的SPF/DB結構制造奠定了基礎[11]。

圖4 TA15四層SPF/DB試驗件Fig.4 SPF/DB test pieces of TA15 four-sheet sandwich

4 結論

（1）超塑拉伸試驗顯示，在溫度920℃和應變速率5.25×10-4s-1時，TA15合金的最大延伸率約為1100%，其應變速率敏感性指數(shù)約為0.57，在較佳超塑變形條件930℃和應變速率5.25×10-4s-1附近，TA15合金的超塑本構方程為

（2）對TA15四層板結構超塑成形過程進行了有限元分析，獲得了壓力p-時間t曲線。

（3）在T=930℃和應變速率5.25×10-4s-1下,成功進行了TA15四層板結構SPF/DB成形試驗，試驗件的整體質量良好，無溝槽等缺陷，金相組織觀測表明，TA15四層SPF/DB試驗件擴散連接質量優(yōu)良，本文試驗研究結果為TA15合金SPF/DB結構在高速飛行器上的應用奠定了基礎。

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