鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形新工藝與變形缺陷修復的探索

時間：2022-07-23

由我會遴選推薦的“特種能場輔助制造的科學原理是什么？”入選中國科協(xié)2020年10個重大科學問題之一并在中國科協(xié)年會上發(fā)布。針對該問題的科學研究進展和工程應用情況我會將予以持續(xù)跟蹤和介紹。本文所介紹的即為上海交通大學模具CAD國家工程研究中心李細鋒教授團隊在鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形與變形缺陷修復等方面的研究進展。

鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形新工藝

鈦合金具有強度高、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能，應用于輕量化、高溫和強腐蝕環(huán)境，通常被加工成各種特殊形狀零部件以滿足航空航天、醫(yī)療和化工等領域的需求。但在室溫下，鈦合金的塑性低、成形性差，在大塑性變形下會產(chǎn)生裂紋、嚴重回彈等缺陷，所以室溫下塑性成形效果不佳，難以滿足航空航天領域復雜構件控形控性的要求，因此，經(jīng)常采用高溫成形方法制造鈦合金零件。但是高溫成形的周期長、工況復雜、能耗高，成形件晶粒粗大、表面氧化嚴重；并且，因為模具材料需滿足耐高溫和耐氧化等要求，會顯著增加了制造成本。既然高溫成形無法滿足節(jié)能環(huán)保、低成本的需求，研究者們自然將目光回歸特種塑性成形（后特指電致塑性成形），思考如何在成形過程中改善或者解決各種成形缺陷。

自從以Conrad為代表的學者（1978年）開始研究包括鈦合金在內(nèi)的多種金屬的電塑性以來，近60年的研究表明，給金屬通電流，一定程度上可修復缺陷，促進其再結晶，推動位錯和晶界運動，增強金屬塑性。在不同的電致塑性成形工藝基礎上，通過調(diào)節(jié)電流的大小、頻率、通電時間、波形等，發(fā)展出一系列不同的電輔助成形工藝，電輔助拉深成形就是其中的一種。

在無電輔助的情況下，冷成形方式制造的TC4 鈦合金環(huán)段截面不光順，起皺嚴重，無法滿足使用要求。上海交通大學李細鋒團隊通過數(shù)值模擬、模具設計和工藝驗證的方式，提出鈦合金環(huán)段脈沖電流輔助拉深成形工藝（圖1）。使用低壓大電流脈沖設備（12V/20000A）對450mm×275mm×1mm 的TC4鈦合金坯料加以1500A 的脈沖電流和1.5V 電壓，在1min 中內(nèi)升溫到所需的600℃左右，6min 內(nèi)完成鈦合金環(huán)段電輔助成形工序。對比TC4 鈦合金環(huán)段冷成形和電輔助拉深成形結果，電輔助成形環(huán)段截面光順，沒有明顯起皺，成形效率高。通過鈦合金環(huán)段尺寸精度的測量，可以看出電輔助成形的精度明顯提高，避免了起皺和回彈大等缺陷（圖2）。

圖1 TC4鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形過程

圖2 鈦合金環(huán)段件成形精度測量

團隊還研究了脈沖電流對鈦合金預制缺陷和耐腐蝕性能的影響規(guī)律。

脈沖電流對鈦合金組織性能特征的影響

1.對預制缺陷的修復

將TC4薄板在常溫下預變形拉伸10% 后，內(nèi)部存在均勻分布的亞微米級孔洞，孔洞所占體積分數(shù)約為2.21%?？刂泼}沖電壓40V和通電時間30s對預變形試樣分別進行不同頻率的通電處理。頻率為120Hz時，孔洞數(shù)量開始減小，單個孔洞尺寸也有減??；頻率為140Hz時，孔洞變化趨勢延續(xù)，并且程度顯著加劇，形狀趨于球形；當頻率繼續(xù)升高為160Hz時，孔洞所占體積分數(shù)反而減少，且局部區(qū)域出現(xiàn)大尺寸孔洞，如圖3所示。

圖3 試樣預拉伸后經(jīng)脈沖電流處理后的內(nèi)部顯微孔洞分布（脈沖電壓40V，通電時間30s）

孔洞變小得以彌合，一般認為有兩種機制：一種是原子的擴散填充，脈沖電流促進原子填入孔洞中；另一種是熱壓合機制，孔洞區(qū)域電阻較大，焦耳熱較高，導致材料內(nèi)部發(fā)生膨脹，但孔洞外側基體限制了孔洞向外的膨脹，故而孔洞向內(nèi)膨脹，處于熱壓縮狀態(tài)。而孔洞在160Hz電流下反而體積擴大、占比增加的現(xiàn)象，研究者認為是原子在到達孔洞表面前，就被較高頻率的電流轟擊導致離開。因此，為了彌合和減少孔洞，應當選取較佳的脈沖電流頻率，并非頻率越高越好。

2.對耐腐蝕性的影響

與對孔洞影響類似，脈沖電流頻率對退火態(tài)TC4鈦合金耐腐蝕性能的影響體現(xiàn)出單峰性。在200Hz電流下，耐腐蝕性能較佳。究其原因，是溫度不同引起的。200Hz時，較高溫度為457℃，退火態(tài)TC4中的少量亞穩(wěn)相開始轉(zhuǎn)變，短時內(nèi)使TC4的組織較加穩(wěn)定。頻率增加到300Hz時，溫度達到728℃，TC4開始發(fā)生靜態(tài)再結晶，由于溫度相對較低，結晶不充分，產(chǎn)生大量處于結晶預備期的亞晶粒和胞狀亞結構，這些亞穩(wěn)態(tài)結構活性較高，較容易被腐蝕。頻率繼續(xù)增加到400Hz，溫度升高至792℃時，觀察到鑲塊式的再結晶晶粒，受腐蝕較為嚴重。當頻率繼續(xù)升高到500Hz時，溫度達到851℃，亞穩(wěn)態(tài)組織較容易作為形核基體發(fā)生點蝕，因此TC4 的耐腐蝕性能急劇下降。

展望

在傳統(tǒng)成形工藝基礎上加脈沖電流外能場相復合，是對現(xiàn)有成形方法的補充與改善。研究表明，電輔助成形不同于傳統(tǒng)的熱成形工藝，在降低成形力、提高成形極限與精度等方面比傳統(tǒng)熱成形具有較佳效果。未來，成形技術研究方向?qū)⒊蚨鄠€能場耦合，例如將電場與電磁場復合，開展鋁合金材料的板管快速高效成形；將超聲場與電場復合，開展鋁合金或鎂合金的擴散連接成形，突破鋁合金或鎂合金氧化膜問題阻礙其擴散連接技術發(fā)展的瓶頸。合理利用多能場與材料相互作用的多種效應，突破高強難成形材料的制造難題，將較大地促進**制造技術的發(fā)展和應用。

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鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形新工藝與變形缺陷修復的探索
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