钛工业进展：大型变壁厚TC4半球超塑胀形工艺研究
2022-03-02【作 者】 微石;阴中炜;纪玮;陆子川;张绪虎
【前 言】
钛合金由于其轻质、高强的特点，在我国航天领域的贮箱、气瓶等压力容器上得到了广泛应用。
半球形壳体是钛合金压力容器的一种常用结构，传统工艺一般采用锻造、冲压、旋压制作，这些工艺成形精度美、材料利用率低，
在制造大型半球时更加困难。近年来随着深空探测等项目的快速发展，钛合金压力容器的尺寸越做越大，但成本却要求十分严格，传统工艺已经不能满足需求。超塑成形技作为一种先进塑性加工手段，在成形精度、上的优势巨大，特别适合于制造大型薄壁钛合金构件。采用该工艺制造的钛合金压力容器在航空航天领域已经得到初步应用。
由于超塑成形过程需要密封，因此成形时板材一般需要有一个密封面，该密封面在成形时会被压死并固定，这样密封面将无法参与变形，板材在变形时表面积的增大完全依靠板材在模具型腔部分材料自身的拉薄，这与传统的冲压工艺区别很大。超塑成形时材料的拉伸减薄将显著高于传统冲压方式，如果工艺控制不当，局部可能会存在厚度过低甚至拉裂的情况，无法满足后续工艺要求。
为了实现壁厚可控的超塑成形，国内学者开发出了很多方法，例如正反胀法、坏料预加工法、动凸模法等。其中正反胀法应用较为广泛。
数值模拟是进行板材超塑胀形过程壁厚预测的一种有效手段，它能够大幅提升超塑模具的试模成功率，显著提高效率并降低成本。本研究针对某型号米级尺寸的大型薄壁钛合金半球的超塑胀形工艺进行了数值模拟及工艺实验，根据球壳的变壁厚结构，采用正反胀形工艺手段实现壁厚的按需分配，以提高材料利用率，并制备出最终机械性能满足设计要求的半球壳。
【结 论】
（1）根据数值模拟，采用正反胀形方法可将单向胀形后TC4球壳从赤道到球底厚→薄的壁厚分布规律改变为厚→薄→厚的分布规律，
这种分布规律与目标零件更为匹配。
（2）提出了反胀模具型面回转曲线的3个关键参数h、w、p。h、w参数对球底和球腰壁厚均有显著影响，前者呈线性规律后者呈指数规律；p参数主要影响球腰的最小壁厚和位置，对球底壁厚影响校小。
（3）根据3个关键参数的影响规律对超塑胀形模具进行了优化，采用优化后的反胀模具进行半球
的超塑胀形，可以得到完全满足目标产品壁厚需求的超塑毛坯。
（4）正反胀形成形的半球壳毛坯与模拟结果吻合较好。超塑胀形后TC4钛合金晶粒有所长大，但仍维持等轴晶组织，材料屈服强度和抗拉强度有所下降，延伸率有所提高。材料性能满足设计要求。
以下是正文：
