材料导报：TC4钛合金筒形收口件超塑胀形数值模拟及试验研究
2022-12-10【作 者】易宗鑫;李小强;潘存良;沈正章
【引 言】
TC4 钛合金因具有优异的综合性能，在航空航天、军工、汽车等领域得到广泛应用［1-3］，但 TC4 钛合金的成形性较差，难以用来制造变形较大、成形精度较高的零件。超塑性是指材料在一定的温度和应变速率下表现出较大伸长率的一种特性［4］。有研究表明，当 TC4 钛合金晶粒大小均匀、尺寸为10 μm 左右 时，其在一定的温度和应变速率下具有超塑性［5］。对 TC4 钛合金进行超塑成形，能够克服 TC4 钛合金成形性差的缺点［6-9］。
超塑气胀成形技术具有模具简单、设备吨位小等优势，广泛应用在超塑成形领域，但超塑气胀成形需要的时间较长，且胀形压力随时间的变化规律依赖经验和大量的实验试错，存在较大的误差。数值模拟技术不仅可以描述材料的超塑胀形行为，还能够反映一定应变速率下胀形压力随时间的变化趋势，可以在节约试验时间的同时提高成形精度［10-11］。
目前筒形收口件在国防工业、机械制造业和日用工业中应用广泛［12-15］，但 TC4 钛合金的超塑胀形研究主要集中于超塑性质、本构模型建立以及盒形件、直筒件的成形工艺和组织演变［16-19］，对筒形收口件的研究鲜有报道。这是由于筒形收口件由直筒段和锥形收口段组成，在超塑胀形过程中直筒段和锥形收口段的贴模顺序不同。先贴模的部位应变速率很低，未贴模的部位在气压的作用下继续发生胀形，胀形过程中不同部位之间变形量不一致，变形过程中成形规律、组织和结构也必然会存在一定的差异，需要对其展开深入的研究。因此，本工作以 TC4 钛合金筒形收口件为研究对象，通过超塑变形特性分析获得最佳的超塑胀形温度和应变速率，并在最佳参数下进行超塑胀形数值模拟，将获得的压力-时间变化曲线用于实际超塑胀形中，进而验证数值模拟的可靠性，并对超塑胀型后的筒形收口件不同部位进行组织分析，以探究不同部位组织演变的规律。
【结 论】
（1）收口旋压后的 TC4 合金的最佳超塑胀形参数为温度850 ℃、应变速率 0. 000 5/s。在该参数下，TC4 钛合金的延伸率为 788%，应变速率敏感系数 m 为 0. 60。
（2）超塑胀形过程中，应力、应变和厚度均呈对称分布。由于中部收口段和顶部的过渡区域最后贴模，应力、应变最大值和厚度最小值均出现在该区域。修正后的保压胀形的最大压强为 1. 90 MPa。试验结果与数值模拟结果基本一致，相对误差为 6. 98%，该模型能够较好地预测变形情况。
（3）TC4 钛合金筒形收口件超塑胀形后晶粒发生明显长大，在顶部直筒段最大为 17. 9 μm，在中部最小为 14. 7 μm。晶粒的取向发生改变，端口部和顶部的晶粒在［0001］方向具有取向，中部晶粒在［21 10］方向具有明显取向。变形量较小的端口处 α 晶粒内部发生大量的位错增殖，中部收口段 α 晶粒内产生针状马氏体，变形量最大的顶部直筒段有板条状马氏体生成。
（4）最终成形的大尺寸收口筒形件薄弱区发生马氏体相变且晶粒粗化，抗拉强度略微提高，屈服强度和延伸率略有下降。
以下是正文：
