航空航天低溫結(jié)構(gòu)材料用TC1鈦合金板材熱加工性能研究運(yùn)用

引言

鈦與鈦合金在金屬材料中占據(jù)了重要地位，具備較高的科學(xué)研究價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值，也是近年來科研領(lǐng)域的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。在“一帶一路”倡議與“中國制造2025”規(guī)劃綱要不斷深化的新時(shí)代，由制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國已成為我國現(xiàn)階段肩負(fù)的重要任務(wù)之一。

在完成此項(xiàng)任務(wù)的過程中，制造業(yè)涉及的重點(diǎn)領(lǐng)域如航空航天裝備、海洋工程裝備、高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通設(shè)備、新能源汽車、高性能醫(yī)療器械等各方面制造內(nèi)容都與鈦合金息息相關(guān)，鈦合金材料發(fā)展也相應(yīng)步入關(guān)鍵階段。在此背景下，探索鈦合金板材熱加工性能也相應(yīng)成為新時(shí)代制造業(yè)需要深入研習(xí)的重要課題。

1、TC1鈦合金相關(guān)概述

鈦與鈦合金是新時(shí)代日漸為人所重視的金屬材料，自身具備較多優(yōu)勢，如密度低、比強(qiáng)度高、工作溫度范圍廣、耐蝕性強(qiáng)等，在航空航天等各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。TC1鈦合金在低溫與超低溫狀態(tài)下仍能保持自身力學(xué)性能，且具備良好的低溫性能，因而鈦合金屬于低溫結(jié)構(gòu)材料。在此基礎(chǔ)上，鈦合金具備較強(qiáng)的化學(xué)活性，能與大氣中的氧、氮、氫、二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)鈦合金中的含碳量大于0.2％時(shí)，鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時(shí)，與N作用也會形成TiN硬質(zhì)表層；在600℃以上時(shí)，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達(dá)0.1～0.15mm，硬化程度為20％～30％。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。鈦合金具有強(qiáng)度高而密度又小，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能很好。但鈦合金工藝性能相對不理想，不易進(jìn)行切削加工困難，在對鈦合金進(jìn)行熱加工時(shí)，其極易吸收大氣中的氫氧氮碳等雜質(zhì)。且鈦合金抗磨性差，生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜。鈦合金在工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用自1948起，新時(shí)代由于航空工業(yè)發(fā)展需求，鈦工業(yè)發(fā)展更為迅速。在不斷探索中，鈦合金至今已有近三十種型號，其中廣泛使用的鈦合金為Ti-6AI-1V(TC1)、Ti-6Al-4V(TC4)、工業(yè)鈦（TA1、TA2和TA3）等[1]。

2、熱加工工藝相關(guān)概述

2.1熱沖壓工藝

沖壓成形是金屬加工途徑中相對傳統(tǒng)的一類，此工藝主要在于分離板料或成型。其中成型工藝需要首先保障避免板料出現(xiàn)破裂，同時(shí)利用板料自身的塑性，將其加工變形，使其成為所需形狀的同時(shí)具備所需尺寸。在提倡可持續(xù)發(fā)展的新時(shí)代，節(jié)能環(huán)保等理念日漸深入人心，且生產(chǎn)安全也相應(yīng)日漸為人所重視，新能源汽車制造工藝成了日漸為人所重視的新領(lǐng)域，鈦合金材料在其中的應(yīng)用也日漸廣泛，熱沖壓技術(shù)的應(yīng)用頻率隨之提升。在應(yīng)用熱沖壓工藝時(shí)，需要將加工變形的鈦合金板材進(jìn)一步加熱，使其升溫至高于材料結(jié)晶的溫度，再將其沖壓成形。熱沖壓工藝的主要原理在于利用鈦合金材料在高溫環(huán)境下變形抗力不足的特質(zhì)，金屬塑性增強(qiáng)而提升材料成形效果。在材料成形后則需要及時(shí)冷卻，以此提升材料強(qiáng)度[2]。

傳統(tǒng)沖壓工藝普遍為冷沖壓，熱沖壓工藝與之相比更具優(yōu)勢。在使用熱沖壓工藝時(shí)，材料自身變形抗力能相應(yīng)降低，從而更易完成塑性變形。在此過程中，材料在接受沖壓時(shí)所受的壓力也隨之減小，壓力機(jī)的噸位需求也相應(yīng)降低，回彈的控制情況也相對更為理想，鈦合金板材制成的零件尺寸更為精準(zhǔn)。但在享受此類優(yōu)勢的同時(shí)，熱沖壓工藝自身也需要投入更多成本，其生產(chǎn)線投資數(shù)額更大，模具設(shè)計(jì)流程更為復(fù)雜，生產(chǎn)成本隨之提升，且對生產(chǎn)環(huán)境要求更高，尤其對空氣環(huán)境具備較高要求。且熱沖壓生產(chǎn)過程中廢品率也相對更高，生產(chǎn)效率相對不理想。我國對熱沖壓工藝的探索相對起步較晚，2009年由大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院胡平教授團(tuán)隊(duì)與長春偉孚特汽車零部件有限公司聯(lián)合開發(fā)出了國內(nèi)第一條具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)鋼板熱成形生產(chǎn)線，至今僅具備十余年歷史，仍需在后續(xù)發(fā)展過程中不斷探索更多先進(jìn)工藝[3]。

2.2拉深工藝

拉深工藝也被稱作拉延工藝，此工藝需要利用特定模具將平板毛坯制成開口零件，也屬于一種沖壓工藝。此工藝在沖壓行業(yè)中占據(jù)的比例相對不大，現(xiàn)階段我國能做好沖壓工藝的企業(yè)數(shù)量也相對有限。拉深工藝涉及的手法相對豐富，如連續(xù)沖壓拉深、傳送式拉深、機(jī)械手模組式拉深、液壓拉深等。拉深工藝涵蓋的生產(chǎn)方式相對復(fù)雜，具備較強(qiáng)的綜合性，在建筑、汽車、五金等各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。為使拉深工藝得到進(jìn)一步應(yīng)用，探索鈦合金板材熱加工性能也是每位從業(yè)人員需要考慮的重要問題。

3、TC1鈦合金板材熱加工性能試驗(yàn)

3.1材料與設(shè)備

此項(xiàng)試驗(yàn)需要準(zhǔn)備厚度為1mm的TC1鈦合金板材，同時(shí)準(zhǔn)備Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)。

3.2方法與過程

在測試TC1鈦合金板材熱加工性能時(shí)，相對常見的試驗(yàn)為高溫單向拉伸試驗(yàn)。經(jīng)此試驗(yàn)所獲得的材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)與塑性性能數(shù)據(jù)具備較大作用，對TC1鈦合金板材后期設(shè)計(jì)工作、選材工作、新材料研制工作、材料采購與驗(yàn)收工作、產(chǎn)品質(zhì)量控制工作、設(shè)備安全評估工作等各個(gè)環(huán)節(jié)都具備極為重要的參考價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值[4]。

在試驗(yàn)之前，需要對試件做好清潔工作，并在其標(biāo)距段上焊接熱電偶，以此監(jiān)控其溫度變化，此后再對試件進(jìn)行裝夾，使試驗(yàn)環(huán)境保持真空狀態(tài)。隨后即可投入試驗(yàn)，行將試件加熱，達(dá)到試驗(yàn)溫度后再保溫五分鐘，保障試件各部位溫度呈均勻分布狀態(tài)。但試件在受熱后將出現(xiàn)膨脹變形等現(xiàn)象，為應(yīng)對此現(xiàn)象則需要及時(shí)調(diào)整夾具位置，避免熱膨脹影響試件長度。在完成各項(xiàng)操作后，仍需依據(jù)設(shè)定的應(yīng)變速率拉伸試件，以0.01、0.001、0.0001s^-1進(jìn)行拉伸，直至試件斷裂，熱電偶基本能在試件斷裂時(shí)脫落，而脫落后即終止數(shù)據(jù)采集，即可導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

3.3結(jié)果與分析

由TC1鈦合金高溫單拉流動應(yīng)力曲線（圖2）可知，同行溫度時(shí)TC1鈦合金應(yīng)變速率下降的同時(shí)，流動應(yīng)力也隨之下降，但最大斷裂應(yīng)變則隨應(yīng)變速率下降而增大。由金屬普遍存在的物理屬性來看，應(yīng)變速率增加后，金屬的變形抗力也隨之增加，且溫度升高對此現(xiàn)象產(chǎn)生的影響更為顯著。當(dāng)溫度升至500℃、應(yīng)變速率為0.01s^-1與0.001s^-1時(shí)，反映應(yīng)力的應(yīng)變曲線所表現(xiàn)出的硬化階段也相對較長，應(yīng)力升至最大后即出現(xiàn)迅速下降的情況，此情況下加工硬化更為主要。而在500℃、0.0001s^-1時(shí)，試件出現(xiàn)屈服，應(yīng)力迅速升至最大，同時(shí)能在短時(shí)間內(nèi)保持不變，再緩慢降低，整體呈現(xiàn)出熱軟化特點(diǎn)。當(dāng)變形溫度為550℃、600℃、650℃時(shí)，試件出現(xiàn)屈服后，其流動應(yīng)力迅速升至最高，試件也相應(yīng)步入平衡應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)變逐步增加后，溫度相同但應(yīng)變速率不同的情況下出現(xiàn)的應(yīng)力差距也具備較為明顯的規(guī)律，此現(xiàn)象說明熱軟化的作用相對明顯，動態(tài)再結(jié)晶情況也相應(yīng)存在[5]。

3.4總結(jié)與展望

3.4.1總結(jié)

在對厚度為1mm的TC1鈦合金板材進(jìn)行不同溫度環(huán)境下的變形試驗(yàn)，探究了TC1鈦合金板材在各個(gè)溫度下的熱加工性能，明確了TC1鈦合金板材高溫情況下的拉伸變形能力，總結(jié)出了TC1鈦合金在不同變形條件下的拉伸真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。最終得出TC1鈦合金板材熱加工性能共存在七項(xiàng)特質(zhì)：

其一，TC1鈦合金在室溫下抗拉強(qiáng)度相對較高，基本能達(dá)到1288MPa，但室溫下的塑性相對較差。當(dāng)對TC1鈦合金板材加熱后，溫度升高的同時(shí)流動應(yīng)力相應(yīng)降低。在變形溫度高于600℃時(shí)，TC1鈦合金塑性出現(xiàn)了顯著提升，平均抗拉強(qiáng)度下降至620MPa。

其二，當(dāng)TC1鈦合金板材處于高溫與低應(yīng)變速率時(shí)，板材自身塑性相應(yīng)出現(xiàn)較大提升。

其三，當(dāng)TC1鈦合金板材拉伸溫度上升至700℃時(shí)，合金出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶的情況。處于熱拉伸狀態(tài)中的TC1鈦合金板材主要微觀組織演變機(jī)制為動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)TC1鈦合金板材處于850℃時(shí)，其拉伸性能相對較為理想，此溫度下的TC1鈦合金板材平均伸長率可高達(dá)60%。因此在對TC1鈦合金板材進(jìn)行熱加工時(shí)的建議溫度可保持在700℃—850℃之間。

其四，當(dāng)室溫達(dá)到300℃之間，TC1鈦合金薄板成形性相對不理想，難以將其拉深成為圓筒件。但在300℃時(shí)，則可拉深出合格的圓筒件，其極限拉深指數(shù)為0.66。

由此可知300℃是TC1鈦合金板材能被成功拉深的臨界成形溫度，此數(shù)值能為后續(xù)制造提供參考價(jià)值[6]。

其五，當(dāng)TC1鈦合金板材所處溫度達(dá)到800℃時(shí)，高強(qiáng)TC1鈦合金薄板的LDR值升至最大，此值為2.28，說明800℃為TC1鈦合金板材的最佳拉深溫度。依照不斷加熱后的反應(yīng)可知，加熱溫度也是影響TC1鈦合金板材拉深性能的重要因素之一。

其六，優(yōu)質(zhì)TC1鈦合金板材的熱拉深工藝參數(shù)為溫度800℃，沖壓速度10%（4mm/s），壓邊力為10kN，其潤滑方式為高溫潤滑脂。

其七，為使TC1鈦合金板材提升塑性，可采取提升加熱溫度的方式，此方式的主要原理在于位錯(cuò)運(yùn)動易使再結(jié)晶導(dǎo)致的晶粒細(xì)化。當(dāng)溫度不斷提升后，TC1鈦合金拉深件斷裂形式也相應(yīng)出現(xiàn)變化，由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，材料自身的塑性加工性能也相應(yīng)得到了較為理想的改善。

3.4.2展望

在使用TC1鈦合金板材完成此項(xiàng)試驗(yàn)之余，仍存在需要進(jìn)一步強(qiáng)化的部分。

首先，此項(xiàng)試驗(yàn)選擇了熱軋TC1薄板，此類薄板向異性與冷軋板相比更小，拉伸試驗(yàn)僅能選擇沿板料軋制方向截取拉伸式樣。但在實(shí)際拉深試驗(yàn)中仍存在相對明顯的凸耳情況，為避免此類情況，可在后續(xù)工作中沿其他方向截取拉伸式樣，如沿軋制方向45°角的方向截取等。在此基礎(chǔ)上也可強(qiáng)化對TC1鈦合金拉深件凸耳情況的探究，在后續(xù)工作中避免凸耳情況出現(xiàn)[7]。

其次，對TC1鈦合金板材的拉深試驗(yàn)可改變其應(yīng)變速率，也可改變拉伸式樣，以此進(jìn)一步探索TC1鈦合金板材的超塑性變形研究。而在拉深試驗(yàn)中也可進(jìn)一步深入觀察形成杯形件的各部分金相，如增加對筒底部分的觀察、增加對底部圓角部分的觀察、增加對凸緣部分的觀察等，以此對TC1鈦合金板材實(shí)施更為全面的探究。

最后在TC1鈦合金板材拉深試驗(yàn)中也可選擇各類其他厚度進(jìn)行研究，以此為試驗(yàn)增加校本數(shù)量，使TC1鈦合金板材的各項(xiàng)特性具備更為明確的展示，為TC1鈦合金板材的后續(xù)應(yīng)用提供更多具備參考價(jià)值的建議，為應(yīng)用TC1鈦合金的各個(gè)領(lǐng)域提供有力保障。

4、結(jié)語

綜上所述，TC1鈦合金板材在新時(shí)代制造業(yè)中占據(jù)了重要地位，但鈦合金板材在室溫下塑性變形范圍較小，不易成形，在加工過程中需要使用熱成形的方法完成加工。TC1鈦合金板材在熱變形時(shí)的流動應(yīng)力也相應(yīng)存在變化，溫度升高時(shí)流動應(yīng)力降低，應(yīng)變速率減小時(shí)流動應(yīng)力也隨之降低。同時(shí)TC1鈦合金板材屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度則隨溫度升高與應(yīng)變速率減小而降低，伸長率則承受溫度升高而增大。在明確鈦合金板材各方面性能的基礎(chǔ)上，相關(guān)從業(yè)人員可依照制造需求選擇最為恰當(dāng)?shù)募庸し绞剑光伜辖鸢宀脑谖覈圃鞓I(yè)中發(fā)揮更大作用，為我國順利轉(zhuǎn)型為制造強(qiáng)國奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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