锻压技术：Ti55钛合金管电辅助加热气压胀形圆角填充成形规律及多场耦合数值模拟
2022-02-16【作 者】 张宇翔;汤泽军;许爱军;狄旭东;惠鹏程;王子涵
【引 言】钛合金具有高屈服比、优异的力学性能、以及良好的高温性能等优点，Ti55钛合金是我国研制出的高温钛合金，相较于TA2纯钛、TC4钛合金等具有更好的热稳定性和高达550℃的高疲劳强度，是一种典型的近α型高温钛合金，被广泛应用于航空、航天工业中，在Ti55饮合金的应用工件中，管类工件较少，这是因为一些薄壁封闭截面构件的尺寸大、结构复杂、精度要求高，在关键小圆角处若是仅由气压胀形获得圆角，考虑到相同条件下圆角处的成形压力与圆角半径为反比关系，这就需要更大的成形压力，以及更高吨位的设备，增加了制造难度及制造成本。
另外，Ti55钛合金成形能力差、回弹严重，成形十分困难，导致常温下制成的工件难以达标。就目前而言，采用热成形工艺是解决高温钛合金成形难题的重要途经，而若要对大尺寸的管材使用热成形工艺，需要极为庞大、复杂且高性能的成形设备，增加制造成本。同时，在目前的圆角填充实验研究中，学者们发现，即使在高温下圆管仍然会在过渡区发生破裂。这是因为：圆管各部分的温度、屈服强度相同，过渡区发生应力集中导致破裂。而在电铺助加热成形工艺中，圆管与模具之间存在绝缘处理，只有管件通电升温，在成形过程中，因圆管与模具接触发生热传递，使圆管直边部分及过波区的温度低于圆角处的温度，从而使得圆角处的金属更易成形，破裂点也将会由过渡区转移至圆角处。因此，可以考虑用电辅助加热方法对Ti55钛合金管进行气压胀形。
然面，到目前为止，对高温钛合金管电辅助加热气胀成形的研究中，加热方式多为感应加热，虽然改善了管件的成形质量，但是并没有提高圆角处的应变程度。本文提出新的电辅助加热气压胀形方法，利用成形过程中直边部分的贴模降温，获得合适的圆管温度梯度，提高形变的均匀性。针对高温钛合金管成形过程中关键部位的受力状态，进行理论计算，建立电—热—力多场耦合的有限元仿真模型，对不同工艺参数下的成形结果进行规律分析，为高温钛合金管气胀成形实验提供了参考依据。
【结 论】
（1）针对Ti55钛合金管电辅助圆角填充过程，采用间接顺序耦合法，建立了电一热-力多物理场耦合有限元模型。相较于其他建模方法，该方法建立的模型能够很好地合电、热、力这3个物理场，可以直观地反映出在成工艺中，电流密度、气胀压力等参数对圆管温度分布及成形质量的影响。
（2）车件模截面不同位置的屈服状态分析表明，圆角区变形所需压力低于过渡区所需压力，可能有助于圆角填充和避免过渡区破裂。
（3）对管件圆角填充的多场耦合数值模拟表明，当气胀压力为30MPa，电流密度为14A●mm-2时，管件过渡区的壁厚最薄，减薄率最大，当气胀压力为20MPa、电流密度为15A●mm-2时，因整体温度上升，管件直壁部分温度低于圆角处温度，导致过渡区屈服强度大于圆角的屈服强度，因此，圆角区壁厚最薄、诚薄率最大，在成形类似构件时、可考虑选择较高的通电参数及较小的气胀气压、从提壁厚均匀性。
以下是正文：
