引言
“一代材料, 一代飛機”, 是世界航空發展史的真實寫照, 一百多年來, 材料與飛機在相互推動下不斷發展。 現階段, 隨著人們對飛機使用性能、 安全性能以及承載能力要求的不斷提高, 飛機機體結構材料的選用也由最初的木、 布結構, 發展到鋁合金、 鈦合金及復合材料等與功能需求密切相關的互相促進、 優勢互補的階段。 相較其它金屬材料, 鈦合金具有密度低、 強度高、 耐高低溫和耐腐蝕性強以及與復合材料相容性好等優點, 具有其它金屬不可替代的作用。 鈦合金自 20 世紀 50 年代首次在飛機機身上應用以來, 其應用范圍得到了極大發展, 在飛機及發動機上的用量不斷增加[1-2]。 現有資料表明, 采用鈦合金代替鋁合金可使飛行器表面耐熱溫度由 200℃提高到 350~400℃, 利用鈦合金代替不銹鋼可以使發動機重量減輕 40~50%。 因此, 鈦合金已成為新一代飛機設計中的首選材料, 其用量已經成為衡量飛機用材先進性程度的重要標志之一[3-4]。
“一代材料, 一代工藝”, 隨著鈦合金等新材料的出現, 一方面材料性能及功能指標不斷提高, 另一方面也給零部件的高質量制造帶來了較大難度,需要多工藝、 多方法的復合, 來獲得單一工藝所無法達到的性能, 同時還要盡量做到節約能源、 降低成本。 鈦合金中尤其是難變形鈦合金, 具有伸長率低、 變形抗力大、 彈性模量小、 室溫變形能力差以及成形零件回彈大等缺點, 導致成形質量和尺寸精度難以保證[5-6]。 為了提高鈦合金的成形性能, 一般多采用引入一定形式能量的輔助成形方式, 如引入溫度場的熱成形、 引入電場或磁場的電脈沖成形和電磁成形等方式[7-9]。 其中, 熱成形是鈦合金主要成形方法, 成形過程中將坯料加熱到一定溫度,利用材料高溫軟化效應提高塑性變形能力, 并且能夠有效減少回彈。 現有資料顯示, 在航空、 航天等領域中, 80%以上的鈦合金鈑金零件均采用熱成形制造, 如飛機的蒙皮、 隔熱框、 整流罩以及發動機冷端部件等[10]。
超聲振動輔助成形是對被加工材料 (或模具)施加一定方向、 一定頻率和能量的超聲振動, 利用高頻振動能量輔助完成各種塑性成形工藝。 與傳統成形相比, 超聲振動輔助成形過程會產生兩種特殊效應, 一種是超聲振動對試件內部應力產生影響的體積效應, 另一種是超聲振動對模具與坯料之間摩擦產生影響的表面效應。 利用超聲振動的這兩種特殊效應, 不僅可以降低材料的成形力, 減小模具與試件之間的摩擦因數, 同時還可以提高材料的成形性能和成形質量, 也是提高鈦合金塑性變形能力的一種較好方法[11-14]。 如 ANDERHASTENM 等[15] 進行的 TC4 鈦合金超聲振動輔助拉伸實驗結果表明, 施加超聲振動后材料的伸長率提高了 13%; 何玉石等[16]進行的 TA1 鈦箔超聲振動輔助拉伸實驗結果表明, 施 加 超 聲 振 動 后 TA1 鈦 箔 伸 長 率 提 高 了14. 13%。 高鐵軍等[17] 對 TA2 鈦合金薄壁圓筒件超聲振動拉深工藝進行了研究, 結果表明, 超聲振動的施加可以有效抑制成形試件回彈, 從而有助于鈦合金拉深件成形質量的提高。
上述研究顯示, 通過溫度和超聲振動等能量形式均可以提高鈦合金的塑性變形能力和成形質量,如果將這兩種能場進行復合, 簡稱復合能場 (Com-pound Energy Field, CEF), 也就是說在一定溫度條件下施加超聲振動, 將是進一步提高鈦合金塑性變形能力和成形質量的有效途徑。 本文從溫度/ 超聲復合能場輔助對鈦合金力學性能、 微觀組織、 成形過程中界面摩擦以及典型零件成形影響等方面進行了簡要介紹, 并對其發展前景進行了總結和展望。
1、 復合能場成形原理及裝置
圖 1 為溫度/ 超聲復合能場輔助成形原理及裝置簡圖。 復合能場成形在傳統熱成形基礎上, 通過調整模具結構、 增加超聲振動輔助工裝即可實現。 成形裝置主要由超聲振動系統、 溫度控制系統及成形模具 3 部分組成, 其中超聲振動系統提供成形所需的不同頻率和功率的振動能場, 溫度控制系統提供成形所需的溫度場, 成形模具主要保證成形零件的質量和精度。
相比較而言, 該方法具有操作簡單、 可實現性強等優點, 尤其是近年來隨著超聲發生器功率的不斷提高, 可提供能量不斷增大, 以及高溫條件下可使材料軟化效果增強, 這種方法不僅可用于微/ 小尺寸零件, 還可用于中/ 大尺寸零件的沖裁、 彎曲、 脹形及拉深等。 如果對結構裝置進行適當改進, 還可用于旋壓、 漸進成形等過程[18-20]。
2 、復合能場對鈦合金力學性能的影響
體積效應是超聲振動輔助成形的典型特征, 宏觀上表現為材料的流動應力降低、 加工硬化減弱,這種現象與材料溫度場下的軟化效果基本一致, 因此與溫度場復合其效果更好。 圖 2 為不同溫度/ 超聲復合能場下 TC4 鈦合金應力-應變曲線 (其中所采用的超聲振動頻率為 20kHz, 以下相同) [21]。 由圖可知, 當溫度超過 500℃ 時鈦合金流動應力降低,伸長率增大, 呈現出明顯的 “高溫軟化” 現象。 從圖 2 中還可以看出, 在相同溫度條件下施加超聲振動后, 材料的流動應力進一步降低, 同時在適當超聲能量條件下材料的可變形能力增大。 從而說明超聲振動能場與溫度場復合過程不僅增強了材料內部原子活性, 對材料內部及變形機制也有較大影響,因此在適當條件下 TC4 鈦合金塑性變形能力所有提高。
同時, 由于鈦合金為密排六方晶格結構, 滑移系較少、 對稱性較低, 板材軋制過程中具有極大織構傾向, 導致板材在不同軋制方向具有很強的各向異性, 影響板材均勻變形能力和成形零件質量。 圖3 為復合能場下 TC4 鈦合金不同軋制方向下拉伸試件的應力-應變曲線。 從圖中可以看出, 沿不同軋制方向的強度和變形能力相差較大, 其中 0°方向最好、 90°次之、 45°最差; 但當與超聲振動能場復合后, 對于 45°和 90°拉伸試件, 在強度降低的同時,應變的提高幅度更為明顯, 有效抑制了鈦合金的各向異性, 從而也為復雜零件均勻性變形提供了一定條件[22]。
另外, 熱成形過程加載速度也是影響鈦合金板材成形性能的重要因素之一。 通過溫度/ 超聲/ 加載速度的對比研究發現, 對于鈦合金的塑性變形能力,在高溫條件下, 相比較速度而言, 超聲振動對伸長率的影響更大, 也就是說通過超聲振動輔助能場可以實現在較低拉伸速度條件下獲得較大的伸長率,如圖 4 所示[23]。 另外對 TC1、 TC2 鈦合金的研究也有類 似 結 果[24]。 此 外, 崔 子 揚[25] 對 高 溫 條 件 下TC4 鈦合金超聲振動輔助應力松弛過程進行了研究,結果表明超聲振動應力疊加和超聲軟化效應能夠顯著加速應力松弛進程。
針對溫度/ 超聲復合能場成形過程的研究, 還需要考慮其對鈦合金微觀組織的影響, 如果變形過程中微觀組織變化較大, 尤其是粗大晶粒的產生將會影響試件的使用性能。 圖 5[22] 和圖 6 分別為復合能場下 TC4 鈦合金拉伸試件金相組織分析和斷口掃描。 從圖 5 中可以看出, 與單一溫度場相比較, 同一溫度下的復合能場對 TC4 鈦合金的微觀組織影響不大。 從圖 6 中可以看出, 單一溫度場條件下 TC4鈦合金的斷裂方式屬于穿晶韌窩狀斷裂, 而復合能場條件下 TC4 鈦合金斷裂后的韌窩尺寸明顯增大,深度也明顯增加, 從而進一步說明了 “材料軟化”現象的增強[22]。
3 、復合能場對鈦合金與模具間摩擦的影響
板材成形過程中由于坯料與模具表面的凹凸不平, 在接觸壓力作用下會產生摩擦, 不僅會使鈑金件或模具表面出現劃傷、 劃痕甚至報廢, 還會影響坯料應力分布、 變形規律以及工藝可行性。 因此,摩擦與起皺、 破裂等一樣是鈑金成形過程中不可忽視的問題。 大多數情況下, 一般是通過提高模具表面質量從而減小坯料與模具之間的摩擦, 保證坯料在變形過程充分流動[26]。
表面效應是超聲振動輔助成形的另一典型特征,一方面超聲振動輔助能場會使坯料與模具之間產生較大動能, 出現瞬間接觸和分離, 使潤滑介質更容易進入并儲存在接觸界面中, 從而使摩擦因數和摩擦力降低; 另一方面, 超聲振動還會引起坯料與模具之間的相對速度增加、 局部熱效應增強, 減小了局 部 粘 焊 現 象, 也 會 使 摩 擦 因 數 和 摩 擦 力 降低[27-28]。 而在高溫條件下, 一方面坯料與模具的強度和剛度有所降低, 接觸面之間黏著磨損更加嚴重,從而使摩擦因數和摩擦力增大; 另一方面坯料與模具都會發生熱膨脹, 使二者之間的擠壓力增強, 也會導致摩擦因數和摩擦力增大[29]。 這與超聲振動輔助能場產生的表面效應正好相反。
圖 7 為基于滑動摩擦實驗得到的復合能場下TC4 鈦合金與 SUS321 不銹鋼之間的摩擦力與滑動距離關系[30]。 從圖中可以看出, 單一溫度場條件下,隨著溫度的升高摩擦力增大; 而與超聲能場復合后,隨著超聲振動能量的增大摩擦因數不斷降低, 并且溫度越高降低幅度越大 (圖 8), 這與室溫條件下材料表面效應基本吻合[30]。 為了進一步確定高溫條件下的表面效應的影響, 對 TC4 鈦合金表面磨損情況進行了分析, 如圖 9 所示。 相較單一溫度場, 復合能場條件下的試件表面磨損情況較輕, 磨痕和犁溝較淺并保留著大量原始表面。
4、 復合能場輔助鈦合金成形及應用
彎曲作為鈑金類零件的重要加工方式, 可以較為直觀地反映成形零件的尺寸精度和形狀穩定性。
圖 10 為復合能場作用下彎曲力和凸模行程之間的關系曲線[24]。 自由彎曲階段 (圖中實線), 由于復合能場使材料的高溫軟化效果增強以及坯料與模具之間的摩擦因數減小, 從而使彎曲力降低, 并且降低幅度與超聲能量成正比; 在校正彎曲階段 (圖中虛線), 施加超聲振動后, 由于試件回彈量的減小以及尺寸精度的提高, 提前進入校正階段, 并且隨著超聲振動能量的增大, 校正階段越提前。
圖 11 為復合能場下 TC2 彎曲試件的回彈量的對比[24], 隨著溫度的升高和超聲振動能量的增大,彎曲件的回彈量不斷減小。 通過數據對比可知, 溫度為 500℃時, 復合功率為 1.0kW的超聲振動后,對 TC2 彎曲回彈的抑制效果與 550℃ 單一溫度場時的一致。 經過溫度為 550℃、 復合功率為 1. 0kW的超聲振動后, 與 600℃ 單一溫度場時的一致。 即復合超聲振動能場后, 在相同質量條件下可以降低溫度場的溫度, 從而有利于節能減排和生產成本的降低[24]。 除此之外, 何東芳等[31] 的研究結果表明,復合能場還可以減小鈦合金在塑性成形階段和保壓校正階段的彎曲力。
在航空制造領域, 彎邊結構是飛機框肋類零件的主要結構特征, 具有較強的代表性。 成形過程按照彎邊類型可劃分為直線彎邊、 凸曲線彎邊及凹曲線彎邊等。 其中, 凸曲線彎邊區域材料主要受壓應力作用, 易發生起皺; 凹曲線彎邊變形區材料主要受拉應力作用, 易發生翹曲; 如果零件材料為鈦合金, 則起皺、 翹曲及回彈等質量問題會更嚴重。
圖 12[32]為不同復合能場下的 TC1 鈦合金復雜彎邊件, 試件上半部分主要為直線和凸曲線彎邊, 下半部分主要為凹曲線彎邊, 為了便于分析選取試件典型位置 1~10 進行測量。 圖 13 為 TC1 彎邊件典型位置測量結果。 從圖 12 中可以看出, 由于試件彎邊高度較小, 凸曲線彎邊部分沒有出現明顯起皺現象, 但存在翹曲、 回彈和變形不均勻現象。
從圖 13 中可以看出, 相比較單一溫度場, 復合能場對抑制彎邊件的回彈和提高彎邊高度的均勻性的效果要好很多, 這主要與復合能場對材料性能 (含各向異性)、 微觀組織、界面摩擦、 變形機理等方面產生的影響有關[32]。
5 、結語及展望
超聲振動輔助成形作為一項具有特色的板材成形技術, 較普通塑性成形方法, 前者能夠有效降低材料所需的成形力, 提高板材變形能力, 改善試件表面質量, 同時還可以消除成形過程中產生的殘余應力, 已在鋼、 鋁合金、 鎂合金及鈦合金等中、 小、微尺寸零件的沖裁、 拉深、 彎曲和脹形等成形過程中得到了應用。 除此之外, 還可以與溫度、 激光、電場及磁場等其它能場復合, 為難變形、 復雜形狀鈑金件的高質量成形提供新途徑。 尤其是在與溫度場復合過程中, 借助材料高溫軟化和超聲振動的復合效應, 對鈦合金成形性能、 成形質量等方面均有不同程度的提升, 進一步凸顯了特色優勢。 然而,在溫度與超聲能場的復合過程中, 還存在能場之間的匹配協調、 工藝參數的優化控制以及相關專用設備開發等問題, 還有待進一步深入研究。
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