馬俊飛，歐陽(yáng)金棟，易 龍，劉慧慧，陳 龍

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

0 引 言

鈦合金的屈服極限與彈性極限比值較大，屈強(qiáng)比高，變形抗力和變形回彈量大，塑性較低，成型難度大，因此對(duì)鈦合金多采用熱成型方法[1-3]。超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）組合工藝是一種先進(jìn)的塑性加工技術(shù)，屬于熱成形的一種，常用于按傳統(tǒng)方法難成形、形狀復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，一般有先SPF后DB、先DB后SPF及SPF和DB同時(shí)進(jìn)行三種方式，哪種方式更好，視零件結(jié)構(gòu)和工藝而定[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外正積極開(kāi)展多層結(jié)構(gòu)的超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）組合工藝研究[5]，可廣泛應(yīng)用于飛行器上的一些大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[6]，如發(fā)動(dòng)機(jī)艙門、口蓋、寬弦風(fēng)扇空心葉片等，對(duì)提高飛行器的性能、減小質(zhì)量、延長(zhǎng)壽命、降低成本都具有傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法比擬的優(yōu)越性。鈦合金種類很多，其中，具有α+β型雙相組織的TC4屬Ti-6A1-4V系熱處理強(qiáng)鈦合金，是應(yīng)用最廣的鈦合金之一，約占航天工業(yè)中鈦合金應(yīng)用量的50%。鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝由美國(guó)洛克威爾公司于1970年發(fā)明，并以其獨(dú)特的優(yōu)越性迅速發(fā)展為鈦合金結(jié)構(gòu)件制造中舉世矚目的新技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用水平，現(xiàn)已成為衡量一個(gè)國(guó)家航空航天生產(chǎn)能力和發(fā)展?jié)摿Φ臉?biāo)志。

口蓋是一種外形復(fù)雜的TC4鈦合金空心加強(qiáng)結(jié)構(gòu)零件，應(yīng)用于某飛行器的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)件。本文在成形設(shè)備為800t和400t的熱成形機(jī)床上對(duì)雙層板口蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)超聲檢測(cè)設(shè)備、以及金相顯微設(shè)備、化學(xué)成分測(cè)試儀等檢測(cè)成形口蓋零件質(zhì)量。本文研究的內(nèi)容是在新一代航空武器裝備的研制和生產(chǎn)中不可或缺的關(guān)鍵制造技術(shù)，該研究及其成果的推廣應(yīng)用將大大提高企業(yè)武器裝備關(guān)鍵構(gòu)件的制造能力和水平，提升先進(jìn)鈦合金SPF/DB制造工藝在我國(guó)的應(yīng)用水平，從而提升我國(guó)制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，縮短與國(guó)外航空制造企業(yè)技術(shù)能力和制造工藝水平的差距，并可推廣應(yīng)用于相關(guān)的軍民產(chǎn)品，具有好的市場(chǎng)和良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

口蓋是一種外形復(fù)雜的TC4鈦合金局部空心加強(qiáng)結(jié)構(gòu)零件，長(zhǎng)約360mm，寬約250mm，弦高96mm，邊框厚度為3mm，“田”字形所圍部分厚度為1.6mm。如圖1所示。該口蓋邊框?yàn)槿龑?（0.8mm+1.4mm+ 0.8mm）結(jié)構(gòu)形式，由上下面板及芯板通過(guò)擴(kuò)散連接相結(jié)合，內(nèi)部“田”字形所圍部分由兩層板（0.8mm+ 0.8mm）鋪疊而成，突出的“田”字框由兩層板（0.8mm+ 0.8mm）超塑成形而得。

口蓋作為某飛行器控制艙部位的重要部件，要求外部型面準(zhǔn)確，表面光滑，零件整體具有良好的綜合性能。由于其邊框?yàn)槿龑咏Y(jié)構(gòu)，而“田”字形內(nèi)腔為兩層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特殊性，目前在其制造過(guò)程中主要存在以下工藝難點(diǎn)：

1）為制出特殊的整體局部空心加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，形成口蓋內(nèi)部的封閉減重空腔，必須采用擴(kuò)散連接手段。

圖1 擬成形的口蓋模型

2）從零件結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，口蓋內(nèi)部“田”字邊框?yàn)榭招膮^(qū)域，空心區(qū)域需通過(guò)超塑成形吹塑而成，其他部位為實(shí)心結(jié)構(gòu)。

基于對(duì)口蓋零件外形特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)的分析，本文規(guī)劃了如圖2所示的工藝路線，組合使用擴(kuò)散連接、常規(guī)塑性成形和超塑性成形來(lái)進(jìn)行兩層結(jié)構(gòu)鈦合金TC4口蓋的制造。

圖2 口蓋制造工藝路線示意

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

根據(jù)超塑性變形機(jī)理，具有細(xì)小的晶粒度和高溫下的微細(xì)組織的穩(wěn)定性是超塑性的材料的兩個(gè)基本特征。α+β型鈦合金是常用的三類鈦合金中最符合要求的一類，其本身具有細(xì)小的晶粒，晶粒尺寸為5~ 15 μm，并由于其為兩相組織，在高溫下兩相相互制約，使得晶粒難以長(zhǎng)大，能夠保持為微細(xì)組織，利于超塑性成形[7-9]。

航空航天工業(yè)常用的TC4鈦合金即屬于α+β型鈦合金，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕等許多優(yōu)良的性能。試驗(yàn)材料采用厚度為0.8mm和1.5mm的TC4板材，TC4主要化學(xué)成分如表1所示。

試驗(yàn)擴(kuò)散連接設(shè)備采用FSP800t的熱成形機(jī)床，預(yù)彎和超塑采用FSP400t的機(jī)床，它由加熱系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，氣壓控制系統(tǒng)組成?？梢院芊奖愕目刂茽t內(nèi)模具溫度及氣壓加載過(guò)程，如圖3所示。

表1 TC4鈦合金主要化學(xué)成分

圖3 熱成形機(jī)床

1.3 成形過(guò)程

綜合經(jīng)濟(jì)和高溫環(huán)境及材料的性能等因素，模具材料統(tǒng)一選用1Cr18Ni9Ti。由于高溫環(huán)境下模具材料和零件材料的線膨脹系數(shù)不一致，為保證成形后毛坯零件的外形尺寸符合要求，需考慮材料的熱脹冷縮因素。模具型面的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮型面的縮放系數(shù)，具體的型面縮放系數(shù)可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得。圖4為設(shè)計(jì)加工好的擴(kuò)散連接模具，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。成形口蓋的邊框?yàn)槿龑樱?.8mm+1.4mm+0.8mm）結(jié)構(gòu)形式，由上下面板及芯板組成，內(nèi)部“田”字形所圍部分由兩層板（0.8mm+0.8mm）鋪疊而成。擴(kuò)散連接試驗(yàn)前需先對(duì)板料進(jìn)行酸洗，然后在“田”字邊框均勻涂上止焊劑，以防止該部位擴(kuò)散連接上，最后對(duì)組坯進(jìn)行周邊封焊。

口蓋毛坯直接超塑成形時(shí)，壁厚會(huì)出現(xiàn)極大的不均勻性，零件不能完全的貼模，為了提高零件的壁厚均勻性，先進(jìn)行熱成形。根據(jù)口蓋的毛坯形式，調(diào)整成形參數(shù)，實(shí)現(xiàn)零件完全成形，型腔貼模具。由于口蓋為雙曲率外形，所以加工熱成形模具時(shí)要特別注意其外形的加工，同時(shí)注意熱成形模具溫度的控制及保壓時(shí)間，熱成形模具如圖5所示。

圖4 擴(kuò)散連接毛坯組坯

圖5 熱成形模具

通過(guò)熱成形得到超塑成形毛坯后，將進(jìn)行超塑成形工藝。超塑成形模具與熱成形模具一樣，在模具開(kāi)始加熱前，對(duì)毛坯先抽真空防止氧化，同時(shí)爐內(nèi)也要一直抽真空；當(dāng)?shù)竭_(dá)溫度后，向毛坯內(nèi)沖入一定壓力的氬氣進(jìn)行超塑成形；成形后溫度降到550°C時(shí)取出零件，然后進(jìn)行數(shù)控銑切得到最后的口蓋形狀。

COMAND控制單元(圖6)位于中央控制臺(tái)中，是駕駛室?jiàn)蕵?lè)和通信系統(tǒng)的主控單元和網(wǎng)關(guān)，通過(guò)CAN總線和MOST總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散連接質(zhì)量

對(duì)擴(kuò)散連接質(zhì)量的影響因素主要有溫度、時(shí)間、壓力和材料表面光潔度。壓力是影響擴(kuò)散連接質(zhì)量的一個(gè)重要因素，連接表面宏觀上看起來(lái)比較平整光亮，微觀上則呈凹凸不平狀，為了提高連接接頭的強(qiáng)度，通常需要施加一定的連接壓力。連接壓力的作用主要為三方面：一是促使微觀不平的連接表面達(dá)到緊密接觸，同時(shí)產(chǎn)生適量的塑性變形，并將表面致密的氧化膜及污物加以破壞或排除；二是激活界面區(qū)的金屬原子，使原子擴(kuò)散速度加快，有利于消除和彌補(bǔ)接頭界面的空洞；三是有利于消除因異種材料間化學(xué)成分差異引起原子擴(kuò)散速度不同而在界面區(qū)形成的擴(kuò)散空洞。時(shí)間在擴(kuò)散連接中不是一個(gè)獨(dú)立的因素，而與溫度和壓力這兩個(gè)因素有著密切的聯(lián)系。對(duì)擴(kuò)散連接而言，溫度越高，壓力越大，則時(shí)間可相應(yīng)縮短；反之溫度越低，壓力越小，則擴(kuò)散連接所需時(shí)間要相應(yīng)加長(zhǎng)。連接時(shí)間的增加有利于材料原子擴(kuò)散更加充分，從而使接頭成分和組織更加均勻。但連接時(shí)間過(guò)長(zhǎng),容易造成接頭區(qū)域組織粗大，晶粒長(zhǎng)大，使接頭性能下降。反之，若連接時(shí)間過(guò)短，則容易造成接頭區(qū)域擴(kuò)散連接不充分，使接頭性能下降。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擴(kuò)散連接溫度為910°C、壓力為1.5MPa、時(shí)間為60min時(shí)，擴(kuò)散連接的質(zhì)量最好。在常溫、無(wú)強(qiáng)光、無(wú)高噪聲的環(huán)境下，采用S314005對(duì)擴(kuò)散連接后毛坯進(jìn)行超聲檢測(cè)，焊合區(qū)不小于90%，單個(gè)焊合面積不大于50mm2，相鄰兩個(gè)擴(kuò)散連接未焊合缺陷的間距不小于其中較大缺陷軸長(zhǎng)度。采用Leica DM6000M金相顯微鏡觀察擴(kuò)散連接后材料的顯微組織，如圖6所示。從圖中可以看出其組織為等軸相+晶間β相，相等軸晶粒度級(jí)別指數(shù)大于9級(jí)，較原始組織沒(méi)有發(fā)生太大變化。

圖6 擴(kuò)散連接后材料微觀組織

2.2 熱成形質(zhì)量

口蓋預(yù)彎熱成形最關(guān)鍵的因素就是零件能否貼模，也就是成形后回彈對(duì)零件型面的影響。彎曲回彈是指當(dāng)成形力釋放時(shí)產(chǎn)生的彈性回復(fù)過(guò)程，對(duì)零件成形精度有重要影響。成形溫度和變形速率對(duì)彎曲回彈量及材料的成形性能影響很大。溫度的升高使材料的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化作用加強(qiáng)，隨著溫度的升高，合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核率和長(zhǎng)大速率均增加，進(jìn)而使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化作用加強(qiáng)，從而使材料塑性更好，但是當(dāng)溫度超過(guò)一定程度時(shí)，材料微觀組織將會(huì)發(fā)生很大的變化，晶粒尺寸長(zhǎng)大導(dǎo)致材料的性能很差，因此，依據(jù)TC4鈦合金力學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，750°C是熱成形的最佳溫度[10]。變形速率對(duì)流變應(yīng)力的影響，主要取決于在塑性變形過(guò)程中發(fā)生的硬化與軟化這一矛盾的統(tǒng)一結(jié)果，液壓機(jī)控制最佳速率為10mm/min。金屬內(nèi)部所保壓時(shí)間對(duì)熱成形的質(zhì)量影響很大，根據(jù)TC4鈦合金的熱變形行為可知，保壓時(shí)間控制在15min為最佳。按照這些參數(shù)預(yù)彎熱成形后，零件貼模良好，回彈基本忽略不計(jì)，表面質(zhì)量良好。

2.3 超塑成形后零件質(zhì)量

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超塑成形溫度為910°C、壓力為1.5MPa、時(shí)間為40min時(shí)，超塑成形的質(zhì)量最好。圖7是超塑成形后，再經(jīng)過(guò)數(shù)控銑切加工并吹砂后的最終口蓋零件。尺寸外形通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量，與數(shù)模進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)基本一致，表面不存在劃痕、裂紋、金屬夾渣等缺陷；對(duì)口蓋邊線切除的材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到室溫抗拉強(qiáng)度≥830MPa，屈服強(qiáng)度≥780MPa，斷后伸長(zhǎng)率A≥10%；化學(xué)成分檢測(cè)出氫含量不大于0.015%，氧含量不大于0.2%。

圖7 成形出的口蓋

2.4 存在工藝問(wèn)題分析

口蓋屬于復(fù)雜曲面，成形過(guò)程中容易產(chǎn)生褶皺、溝槽、階差等表面質(zhì)量缺陷，裝機(jī)后會(huì)大大影響飛行器的隱身性能。所有表面缺陷均與超塑成形工藝過(guò)程及工裝設(shè)計(jì)制造有關(guān)，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制工藝操作、優(yōu)化工藝參數(shù)，以保證表面無(wú)溝槽、劃傷等缺陷；通過(guò)采用有限元分析的方法輔助工藝分析，預(yù)測(cè)、預(yù)防溝槽、褶皺等表面質(zhì)量缺陷的發(fā)生。

口蓋研制過(guò)程中，階差主要存在外蒙皮表面，如圖8中所示。階差產(chǎn)生的原理是由于模具上局部有高點(diǎn)，致使模具配合間隙增大，變形區(qū)板料變形高度增加，與非變形區(qū)板料產(chǎn)生階差，其原理示意如圖9所示。

階差主要存在于外蒙皮表面而影響表面質(zhì)量，針對(duì)階差預(yù)期采取以下解決措施：

1）嚴(yán)格控制模具的設(shè)計(jì)制造精度，盡量避免階差的發(fā)生。

2）仔細(xì)梳理工藝流程和工藝參數(shù)，查找對(duì)零件研制有決定性影響的原因，分析所出現(xiàn)的大幅度階差與原兩層構(gòu)件研制情況的不同之處。

3）通過(guò)測(cè)量板料厚度等方法，分析模具與零件的適配性，尤其是擴(kuò)散連接后的超塑成形毛坯與模具的適配性。

4）在周期允許下，當(dāng)已產(chǎn)生微量階差時(shí)，則可以返修模具，即研合凸凹模具，通過(guò)反復(fù)修模和進(jìn)行工藝試制，幾次循環(huán)后可基本消除外蒙皮表面的階差現(xiàn)象，當(dāng)模具達(dá)到匹配狀態(tài)后再進(jìn)行驗(yàn)證件的生產(chǎn)。模具尺寸較小時(shí)，需要研合修配的面積較小，可采取手工方式研合。模具尺寸較大時(shí)，需要研合修配的面積也較大，若采用手工方式研合全部配合面積存在很大難度，因此，可采用精加工和手工研磨相結(jié)合的方法返修模具。

圖9 階差產(chǎn)生的原理示意圖

3 結(jié) 論

1）采用擴(kuò)散連接+超塑成形的方法可以實(shí)現(xiàn)口蓋的研制，經(jīng)檢測(cè)，零件表面質(zhì)量、外型尺寸、顯微組織、氫氧含量、擴(kuò)散連接質(zhì)量、力學(xué)性能、焊縫質(zhì)量等均能滿足要求。

2）通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定了擴(kuò)散連接主要工藝參數(shù)：擴(kuò)散溫度為910°C，擴(kuò)散壓力為1.5MPa，保壓時(shí)間為1h；預(yù)彎熱成形主要工藝參數(shù)：溫度為750°C，保溫時(shí)間為15min；超塑成形主要工藝參數(shù)：溫度為910°C，最大壓力為1.5Mpa，保壓時(shí)間為40min。

3）口蓋在研制過(guò)程中，由于模具上局部有高點(diǎn)，使模具配合間隙增大，導(dǎo)致外蒙皮表面存在階差。在后續(xù)的研究中，可以通過(guò)控制模具加工精度、改進(jìn)工藝參數(shù)、優(yōu)化毛坯與模具的適配性等來(lái)控制階差的高度。

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