钛合金环段电辅助拉深成形新工艺与变形缺陷修复的探索

时间：2022-07-23

由我会遴选推荐的“特种能场辅助制造的科学原理是什么？”入选中国科协2020年10个重大科学问题之一并在中国科协年会上发布。针对该问题的科学研究进展和工程应用情况我会将予以持续跟踪和介绍。本文所介绍的即为上海交通大学模具CAD国家工程研究中心李细锋教授团队在钛合金环段电辅助拉深成形与变形缺陷修复等方面的研究进展。

钛合金环段电辅助拉深成形新工艺

钛合金具有强度高、耐高温和耐腐蚀等优异的综合性能，应用于轻量化、高温和强腐蚀环境，通常被加工成各种特殊形状零部件以满足航空航天、医疗和化工等领域的需求。但在室温下，钛合金的塑性低、成形性差，在大塑性变形下会产生裂纹、严重回弹等缺陷，所以室温下塑性成形效果不佳，难以满足航空航天领域复杂构件控形控性的要求，因此，经常采用高温成形方法制造钛合金零件。但是高温成形的周期长、工况复杂、能耗高，成形件晶粒粗大、表面氧化严重；并且，因为模具材料需满足耐高温和耐氧化等要求，会显著增加了制造成本。既然高温成形无法满足节能环保、低成本的需求，研究者们自然将目光回归特种塑性成形（后特指电致塑性成形），思考如何在成形过程中改善或者解决各种成形缺陷。

自从以Conrad为代表的学者（1978年）开始研究包括钛合金在内的多种金属的电塑性以来，近60年的研究表明，给金属通电流，一定程度上可修复缺陷，促进其再结晶，推动位错和晶界运动，增强金属塑性。在不同的电致塑性成形工艺基础上，通过调节电流的大小、频率、通电时间、波形等，发展出一系列不同的电辅助成形工艺，电辅助拉深成形就是其中的一种。

在无电辅助的情况下，冷成形方式制造的TC4 钛合金环段截面不光顺，起皱严重，无法满足使用要求。上海交通大学李细锋团队通过数值模拟、模具设计和工艺验证的方式，提出钛合金环段脉冲电流辅助拉深成形工艺（图1）。使用低压大电流脉冲设备（12V/20000A）对450mm×275mm×1mm 的TC4钛合金坯料加以1500A 的脉冲电流和1.5V 电压，在1min 中内升温到所需的600℃左右，6min 内完成钛合金环段电辅助成形工序。对比TC4 钛合金环段冷成形和电辅助拉深成形结果，电辅助成形环段截面光顺，没有明显起皱，成形效率高。通过钛合金环段尺寸精度的测量，可以看出电辅助成形的精度明显提高，避免了起皱和回弹大等缺陷（图2）。

图1 TC4钛合金环段电辅助拉深成形过程

图2 钛合金环段件成形精度测量

团队还研究了脉冲电流对钛合金预制缺陷和耐腐蚀性能的影响规律。

脉冲电流对钛合金组织性能特征的影响

1.对预制缺陷的修复

将TC4薄板在常温下预变形拉伸10% 后，内部存在均匀分布的亚微米级孔洞，孔洞所占体积分数约为2.21%。控制脉冲电压40V和通电时间30s对预变形试样分别进行不同频率的通电处理。频率为120Hz时，孔洞数量开始减小，单个孔洞尺寸也有减小；频率为140Hz时，孔洞变化趋势延续，并且程度显著加剧，形状趋于球形；当频率继续升高为160Hz时，孔洞所占体积分数反而减少，且局部区域出现大尺寸孔洞，如图3所示。

图3 试样预拉伸后经脉冲电流处理后的内部显微孔洞分布（脉冲电压40V，通电时间30s）

孔洞变小得以弥合，一般认为有两种机制：一种是原子的扩散填充，脉冲电流促进原子填入孔洞中；另一种是热压合机制，孔洞区域电阻较大，焦耳热较高，导致材料内部发生膨胀，但孔洞外侧基体限制了孔洞向外的膨胀，故而孔洞向内膨胀，处于热压缩状态。而孔洞在160Hz电流下反而体积扩大、占比增加的现象，研究者认为是原子在到达孔洞表面前，就被更高频率的电流轰击导致离开。因此，为了弥合和减少孔洞，应当选取较佳的脉冲电流频率，并非频率越高越好。

2.对耐腐蚀性的影响

与对孔洞影响类似，脉冲电流频率对退火态TC4钛合金耐腐蚀性能的影响体现出单峰性。在200Hz电流下，耐腐蚀性能较佳。究其原因，是温度不同引起的。200Hz时，较高温度为457℃，退火态TC4中的少量亚稳相开始转变，短时内使TC4的组织更加稳定。频率增加到300Hz时，温度达到728℃，TC4开始发生静态再结晶，由于温度相对较低，结晶不充分，产生大量处于结晶预备期的亚晶粒和胞状亚结构，这些亚稳态结构活性较高，更容易被腐蚀。频率继续增加到400Hz，温度升高至792℃时，观察到镶块式的再结晶晶粒，受腐蚀更为严重。当频率继续升高到500Hz时，温度达到851℃，亚稳态组织更容易作为形核基体发生点蚀，因此TC4 的耐腐蚀性能急剧下降。

展望

在传统成形工艺基础上加脉冲电流外能场相复合，是对现有成形方法的补充与改善。研究表明，电辅助成形不同于传统的热成形工艺，在降低成形力、提高成形极限与精度等方面比传统热成形具有更佳效果。未来，成形技术研究方向将朝向多个能场耦合，例如将电场与电磁场复合，开展铝合金材料的板管快速高效成形；将超声场与电场复合，开展铝合金或镁合金的扩散连接成形，突破铝合金或镁合金氧化膜问题阻碍其扩散连接技术发展的瓶颈。合理利用多能场与材料相互作用的多种效应，突破高强难成形材料的制造难题，将较大地促进先进制造技术的发展和应用。

词条
词条说明
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