孫永娜，柳長旭，吳國清

（1.中國航空發(fā)動機研究院系統(tǒng)工程研究中心， 北京 101304；2.北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191）

鈦合金零件由于輕質(zhì)、互換性好、表面粗糙度小、成本低等優(yōu)勢，在飛機、航空發(fā)動機上占有相當?shù)谋戎?，并且呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)集成度愈來愈高、結(jié)構(gòu)愈來愈復雜的發(fā)展趨勢，在減輕飛機、航空發(fā)動機重量，改善和提高性能等方面發(fā)揮著日益重要的作用[1-2]。板材成形中，材料本身的微觀組織和這些微觀組織在變形過程中的變化則更本質(zhì)地決定了材料的成形性能[3-4]。TB5鈦合金板材適用于帶材冷軋生產(chǎn)并具有優(yōu)良的冷成形性能，可在室溫下成形中等復雜的板材零件[5-7]，然而TB5鈦合金板材的定形性不好，成形后的回彈很大程度限制了其應用。零件的最后回彈形狀是其整個成形過程的累積效應，回彈也是彎曲工藝質(zhì)量的常見問題，因而回彈控制也是彎曲工藝中的技術(shù)難點。

回彈實質(zhì)上是一個彈性卸載過程，由于彎曲件形狀的復雜性，可能伴有局部加載過程，因而板料彎曲成形的回彈問題非常復雜。在實際生產(chǎn)中要根據(jù)產(chǎn)品批量大小，彎曲件精度要求，模具設計制造條件來選擇相應的方法，以便保證質(zhì)量，提高產(chǎn)品精度[8-10]。

以探求TB5鈦合金板材性能和微觀組織的關(guān)系為目標，對彎曲變形中TB5鈦合金板材微觀和性能進行系統(tǒng)研究，通過定量分析變形過程中晶粒的形狀大小與位向的變化等微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，深入觀察和分析TB5鈦合金板材的變形行為，探討其微結(jié)構(gòu)和性能的演變規(guī)律和兩者間的關(guān)系。

試驗材料與方法

1 試驗材料

以902廠提供的TB5鈦合金板材為研究對象，板材厚度為1.0mm、1.5mm、2.0mm。板材化學成分見表1。圖1給出了TB5鈦合金板材3個方向的微觀組織。

表1 試驗用TB5合金的主要化學成分%

圖1 1.5mm TB5鈦合金板材3個方向截面的微觀組織Fig.1 Microstructure of 3 directions of 1.5mm TB5 sheet metal

圖2 TB5鈦合金板材彎曲試驗示意圖Fig.2 Sketch of TB5 sheet bending test

圖3 TB5鈦合金板材微觀組織隨彎曲角度的變化情況（彎曲半徑為5mm）Fig.3 Differences of TB5 sheet microstructure along the bending angle(bending radius is 5mm)

2 板材彎曲試驗

按 照 GB/T15825.5—1995《金屬薄板成形性能與試驗方法彎曲試驗》標準，在TE電子萬能試驗機上進行不同厚度板材彎曲試驗（見圖2）。凸模速度為 6～8mm/min，彎曲角度為180°。試樣寬度為（50±0.5）mm、長 度 為（75±1.0）mm，選取平行于軋制方向（L）和垂直于軋制方向（LT）兩個方向制備試樣，獲得最小彎曲半徑、最小相對彎曲半徑等指標。選取平行于軋制方向的板材試樣，按照彎曲半徑范圍0.5～8mm，彎曲角度范圍60～120°，獲取彎曲回彈角數(shù)據(jù)。

3 顯微組織觀察和分析試驗

采用OLYMPUS公司的BX51M光學金相顯微鏡下對TB5鈦合金的組織進行觀察。金相試樣經(jīng)拋光后，采用Kroll腐蝕液（成分為96%H2O＋3%HNO3＋1%HF），對試樣進行腐蝕，腐蝕時間為20s。觀察時，從板材形變最劇烈處，開始向邊緣依次觀察。

以像素為基本單位可以獲得每個β晶粒所代表圖形的幾何信息，例如β晶粒的平均面積、晶粒橫縱比等。

結(jié)果與討論

1 彎曲變形對板材微觀組織的影響

圖3給出了1.5mm板厚的彎曲試樣在彎曲半徑為5mm時的微觀組織隨彎曲角度的變化情況。圖4給出了1.5mm板厚的彎曲試樣在彎曲角度為60°時的微觀組織隨彎曲半徑的變化情況。TB5鈦合金板材在彎曲變形后，其微觀組織的外側(cè)部分被拉長，而其內(nèi)側(cè)部分被壓縮。

本文以彎曲半徑為5mm的TB5鈦合金彎曲試驗為例，由圖5可以看出板材中心變形處微觀組織的晶粒面積隨著彎曲角度的增加而近線性增大（圖5 （a）），從687μ m2增大到999μ m2，其增大幅度約為 45%。當TB5鈦合金板材彎曲角度為60°時，板材中心變形處微觀組織橫縱比隨著彎曲半徑的增大而增大（圖5（b）），從0.77增大到0.86，其增大幅度約為12%。彎曲角度對TB5鈦合金板材中心變形處組織晶粒面積影響大于彎曲半徑對板材組織橫縱比的影響。

TB5鈦合金板材塑性變形越劇烈，冷硬作用越強；板材的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴重。TB5鈦合金板材在固定彎曲半徑的情況下，板材中心變形處顯微硬度隨著板材彎曲角度的增加而呈近線性增大（圖6），其擬合后的線性關(guān)系式為：

圖4 TB5鈦合金板材微觀組織隨彎曲半徑的變化情況（彎曲角度為60°）Fig.4 Differences of TB5 sheet microstructure along the bending radius（bending angle is 60°)

圖5 TB5鈦合金板材彎曲試樣中心變形處微觀組織與彎曲半徑、彎曲角度的關(guān)系Fig.5 Relation of microstructure at the TB5 deformation specimen center and bending radius, bending angle

式中，x為彎曲角度，y為中心變形處硬度。當彎曲角度從60°到120°，其硬度從259HV增大到266HV，增大幅度為2.7%。

TB5鈦合金板材在固定彎曲角度的情況下，板材中心變形處硬度隨著彎曲半徑的增大總體上呈近線性下降趨勢（圖7），其擬合后的線性關(guān)系式為：

式中，x為彎曲半徑，y為中心變形處硬度。當彎曲半徑從0.5mm增大到8mm，其硬度從265HV減小到257HV，其變化幅度為3%?？梢?，板材彎曲半徑和彎曲角度對板材中心變形處硬度的影響基本相同。

2 板材組織與彎曲成形特性的關(guān)系

為了進一步探討不同彎曲角度、彎曲半徑TB5鈦合金板材中心變形處微觀組織與其冷成形性能之間的關(guān)系，故將兩者之間結(jié)合起來進行探討分析。當彎曲半徑為5mm時，板材彎曲回彈角隨著板材彎曲角度的增加而增大，見圖8（a），從14.1°增大到27.6°，其變化幅度為96%，而板材中心變形處微觀組織晶粒面積也隨著板材彎曲角度的增大而增大，從687μ m2增大到 999μ m2，其變化幅度為 45%，可見板材彎曲回彈角和中心變形處晶粒面積成正相關(guān)，且彎曲角度對彎曲回彈角的影響大于對中心變形處晶粒面積。同時，板材中心變形處硬度隨著板材彎曲角度的增加而增大，見圖8（b），從 258.9HV 增大到266HV，其變化幅度為3%，而板材中心變形處微觀組織晶粒面積也隨著板材彎曲角度的增加而增大，從687μ m2增大到 999μ m2，其變化幅度為45%，可見板材中心變形處硬度和晶粒面積成正相關(guān)，且彎曲角度對硬度的影響小于對微觀組織晶粒面積。

當彎曲角度為60°時，板材彎曲回彈角隨著板材彎曲角度的增加而增大，見圖9（a），從 9.1°增大到14.1°，其變化幅度為55%，而板材中心變形處微觀組織晶粒橫縱比隨著板材彎曲角度的增加而增大，從0.77增大到0.86，其變化幅度為12%，可見板材彎曲回彈角和中心變形處晶粒面積成正相關(guān)，且彎曲角度對彎曲回彈角的影響大于對中心變形處晶粒橫縱比。同時，板材中心變形處硬度隨著板材彎曲角度的增加而減小，見圖9（b），從 264.7HV 減小到261.3HV，其變化幅度為1%，而板材中心變形處微觀組織晶粒橫縱比卻隨著板材彎曲角度的增加而增大，從0.77增大到0.86，其變化幅度為12%，可見板材中心變形處硬度和晶粒面積成負相關(guān)，且彎曲角度對板材中心變形處硬度的影響小于對微觀組織晶粒橫縱比。

圖6 彎曲角度對TB5鈦合金板材中心變形處硬度影響（彎曲半徑為5mm）Fig.6 Effect of TB5 bending angle on deformation center hardness （bending radius is 5mm）

圖7 彎曲半徑對TB5鈦合金板材中心變形處硬度影響（彎曲角度為60°）Fig.7 Effect of TB5 bending radius on deformation center hardness （bending angle is 60°）

圖8 不同彎曲角度TB5鈦合金板材冷成形性能與其中心變形處晶粒面積的關(guān)系Fig.8 Relationship between cooling forming property and grain size of central deformation of TB5 with different bending angles

圖9 不同彎曲半徑TB5鈦合金板材冷成形性能與其中心變形處晶粒橫縱比的關(guān)系Fig.9 Relationship between cooling forming property and horizontal-vertical ration of central deformation of TB5 with different bending radius

結(jié)論

（1）彎曲角度對TB5鈦合金板材中心變形處組織晶粒面積影響大于彎曲半徑對板材組織橫縱比的影響。板材彎曲半徑和彎曲角度對板材中心變形處硬度的影響基本相同。

（2）隨著板材彎曲角度的增大或彎曲半徑的減小，板材彎曲回彈角與中心變形處晶粒面積、晶粒橫縱比正相關(guān)；板材中心變形處硬度和中心變形處晶粒面積正相關(guān)，與中心變形處晶粒橫縱比負相關(guān)。

參 考 文 獻

[1]楊冠軍. 鈦合金研究和加工技術(shù)的新進展[J]. 鈦合金進展, 2002, 18(3): 1-5.

YANG Guanjun. Recent advances in research and processing technology of titanium alloys[J]. Advances in Titanium Alloys, 2002,18(3): 1-5.

[2]BRATUKHIN A G, ANOSHKIN N F,MOISEEV V N, et al. Application of titanium alloy for production of aircraft structures[J]. Titanium Scientific Technical Journal, 1993, 1: 77-81.

[3]常榮富, 陳孝戴. 加強板材成形性能的研究與實驗[J]. 航空制造工程, 1984,2(1): 2-10.

CHANG Rongfu, CHEN Xiaodai. Enhance the research of sheet metal forming property and testing[J]. Aviation Engineering & Maintenance,1984, 2(1): 2-10.

[4]SANDERS D G, RAMULU M,EDWARDS P D, et al. Characterization of superplastically formed friction stir weld in titanium 6AL-4V: preliminary results[J].Materials Engineering and Performance, 2008,17: 187-192.

[5]IMAM M A, POULOSE P K, RATH B B. Beta titanium alloys in the 1990’s[M]. Denver:The Minerals, Metals and Materials Society, 1993:261-271.

[6]王慶如, 張慶玲, 魏壽庸, 等. Ti-15-3合金的性能數(shù)據(jù)[J]. 材料工程, 1996(11):17-21.

WANG Qingru, ZHANG Qingling, WEI Shouyong, et al. Ti-15-3 alloy property data[J].Material Engineering, 1996(11) : 17-21.

[7]BOYER R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science and Engineering, 1996, 213: 103-114.

[8]谷瑞杰, 楊合，詹梅, 等. 彎曲成形回彈研究進展[J]. 機械科學與技術(shù), 2005,24(6)： 653-658.

GU Ruijie, YANG He, ZHAN Mei, et al. A review of the research on springback in bending[J]. Mechnical Science and Technology,2005, 24(6): 653-658.

[9]胡愛萍, 王平, 李德遵, 等. 影響彎曲件回彈的因素及控制方法[J]. 航天制造技術(shù) , 2007(2)： 57-59.

HU Aiping, WANG Ping, LI Dezun, et al. Factors efecting springback of bending parts and their control methods[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2007(2): 57-59.

[10]武曉紅. 板料彎曲回彈的機理分析及減少回彈的措施[J]. 模具技術(shù), 2002(5):47-50, 60.

WU Xiaohong. Mechanism analysis of springback of sheet metal bending and measures for reducing springback[J]. Mould Technology,2002(5): 47-50, 60.