鈦及鈦合金由于具有比強度高、抗腐蝕性好、耐高溫等一系列優(yōu)點，能夠進行各種方式的零件成型和機械加工。鈦合金材料在一定的高溫下抗拉強度會降低、塑性會提高，因此對鈦合金進行加熱能有效提高其成型極限。在達到一定溫度后，鈦合金的內(nèi)部組織會重新排列，此階段稱為高溫蠕變階段，此工藝方法稱為鈦合金熱成型。某型機側(cè)板為帶加強筋的鈦合金結(jié)構(gòu)件，角材為加強飛機蒙皮強度要求的結(jié)構(gòu)件。鈦合金材料在室溫下抗拉強度高，沖壓性和切削加工性差，難以在室溫下成型。為提高鈦合金材料熱成型技術(shù)應(yīng)用水平，結(jié)合某型機生產(chǎn)實際，選取TC4-M和TC1-M不同規(guī)格的常用鈦合金材料進行熱成型研究。

1、方案設(shè)計

目前，國內(nèi)外鈦合金的成型方法主要有用偶合模的熱蠕變成型、熱校形、蒙皮類零件的冷拉或熱拉伸成型、真空蠕變成型以及超塑成型等。文章選取偶合模的熱蠕變成型為研究對象。

1.1　用偶合模的熱蠕變成型特點及方法

鈦合金的冷成型性差，但如果將其加熱至高溫，則其塑性大大提高，變得較為柔軟而易于成型。在毛料加壓貼模后，若繼續(xù)加壓和保溫，材料會因蠕變而使內(nèi)部應(yīng)力逐漸消失，大大提高了零件精度，減少了回彈。具體操作方法是將偶合模安裝在熱蠕變機床上，依靠機床工作平臺面上的電熱平臺加熱模具與毛料，然后加壓并保溫保壓，直至零件成型完畢。

1.2　零件熱蠕變成型方案設(shè)計

1.2.1　研究對象

在某型無人機的基礎(chǔ)上，選擇不同規(guī)格的兩種常用鈦合金材料（共4項零件）作為研究對象，對4項零件進行編號，對應(yīng)其零件名稱、材料牌號、材料規(guī)格毛料尺寸。

1.2.2　工藝分析

據(jù)資料分析，TC1合金在550～650℃時抗拉強度明顯降低，TC4合金在650～750℃時抗拉強度明顯降低。1、2、4號零件為帶理論外緣的角材類零件。

其中：1、2號件的成型溫度相同，成型壓力因材料規(guī)格的不同而不同；4號件由于材料與1、2號件不同，成型溫度及成型壓力也存在區(qū)別。3號件的形狀為全新的狀態(tài)，沒有可供參考的資料。

1.2.3　設(shè)備選擇

根據(jù)加熱對象、主要特點及適應(yīng)工序，研究選用電熱平臺加熱，設(shè)備為熱成型壓床。該設(shè)備熱平臺尺寸為1200mm×1000mm，最高表面溫度為1000℃，模具溫度準確度為±5℃。

1.2.4　模具設(shè)計

熱成型壓床為電熱平臺加熱模具及毛料，升溫時間為10～15h，生產(chǎn)成本較高。為降低生產(chǎn)成本，在保障零件質(zhì)量的前提下，將模具結(jié)構(gòu)設(shè)計為“一模多件”。TC1合金的熱成型溫度范圍為550～650℃，TC4合金的熱成型溫度范圍為650～750℃，所以選用具備抗氧化性、熱硬度和熱強度較好的中硅鉬鑄鐵來制造熱成型模具。熱成型模具上、下模之間的定位通常采用定位銷和導(dǎo)向塊兩種方式。

定位銷一般裝于下模的零件邊沿線之外，距零件邊沿線10～15mm。視模具和零件的情況配置2～4個，直徑不小于10mm，銷孔直徑應(yīng)比銷釘大1mm。銷釘材料應(yīng)和模具相同或更好一些。導(dǎo)向塊應(yīng)焊接在模具上，導(dǎo)向塊和導(dǎo)槽之間的單面間隙取0.5mm。

為防止零件在熱成型時發(fā)生位置偏差，需要零件定位協(xié)調(diào)。對于已修剪到最終尺寸的零件，其在模具上的定位更重要。為控制和記錄成型溫度，需在熱成型模上制出熱電偶孔。為了在高溫下迅速取出貼模的零件又不使其變形，應(yīng)在模具上制出取件槽，以便夾鉗伸入。取件槽應(yīng)位于模具端頭零件邊沿線之外約5mm處。

無論是鍛造還是鑄造的模具毛坯，必須進行時效或熱穩(wěn)定性處理（退火），以免發(fā)生變形。模具的設(shè)計必須按熱成型壓床的技術(shù)特性進行。模具的外廓尺寸限制需參考熱成型壓床的模具最大允許尺寸。考慮到模具的剛度，設(shè)計時上模、下模、側(cè)壓模塊均應(yīng)適當加厚。

2、方案的實施

2.1　試壓

試壓是驗證成型模具的間隙設(shè)計和制造是否合理，檢驗零件的成型性能，確定零件展開件的一種工藝方法。

2.1.1　試壓材料的選取

TC1鈦合金材料在成型溫度達到600℃時，抗拉強度σb≤215MPa，材料伸長率δ5=58%。TC4鈦合金材料在成型溫度達到700℃時，抗拉強度σb≤200MPa，材料伸長率δ5=65%[1]。經(jīng)過查閱相關(guān)資料并進行對比，室溫下材料牌號為LY12M的鋁合金材料抗拉強度σb≤215MPa，伸長率δ=14%，接近于TC1、TC4鈦合金蠕變階段板材料成型的指標[2]。

2.1.2　試壓方法

將熱成型模具裝夾在熱成型壓床上，采用與鈦合金材料同規(guī)格的鋁合金材料LY12M。室溫下進行材料成型的試壓。試壓時，在模具上涂紅鉛油，根據(jù)試壓情況修整模具，直到用鋁合金材料LY12M制造的零件合格為止。按室溫下試壓合格的熱成型模具，根據(jù)4項零件熱成型參數(shù)對鈦合金材料進行熱成型。在鈦合金零件熱成型的過程中，在保證熱成型模具在中溫的強度要求下，可以適當增加熱成型設(shè)備的主缸壓力，確保鈦合金零件的貼胎度[3]。

2.2　鈦合金材料熱成型過程中的注意事項

第一，展開毛料，按鋁合金材料LY12M試壓的展開件進行下料。下料應(yīng)避免毛料邊緣產(chǎn)生裂紋，以及邊緣粗糙、凸凹不平、啃傷、剪痕等缺陷。

第二，為減少和避免對成型模具造成損傷，鈦合金毛料在成型前都應(yīng)打毛刺和去銳邊。毛料邊緣應(yīng)在將要變形的部位打光，以消除應(yīng)力集中，防止材料在成型時開裂。沖切的孔、開口以及螺栓孔、定位孔等，應(yīng)在兩面去掉孔的毛刺。可用銼削或帶磨（金鋼砂）方法去毛刺或打光，同時毛料邊緣產(chǎn)生的劃痕應(yīng)平行于板材表面[4-5]。

第三，毛料上不允許打鋼印，可在毛料或標簽上打膠印。

第四，鈦合金板料在室溫下的沖壓成型，尤其是對形狀變化很大的復(fù)雜零件，毛料與模具之間會產(chǎn)生很大的變形抗力和摩擦，而鈦合金板料的抗摩擦性不好，易使沖過凹模圓角的零件表面發(fā)生擦傷。在高溫下沖壓成型時，這種情況將更嚴重，還會因高溫下容易黏模卡住，導(dǎo)致零件難以從模具上取下，或取件時易導(dǎo)致零件變形。為避免擦傷，使取件順利，保證零件質(zhì)量，必須在沖壓成型時使用潤滑劑。

第五，在室溫下的沖壓成型，可在鈦合金板料表面噴涂過氯乙烯防腐清漆（牌號為G52-2）。它是將過氯乙烯樹脂及增韌劑溶于有機混合溶劑（苯類、酯類及酮類）的溶液，能在室溫下很快干燥，形成一層堅固的保護膜，能夠承受較高的單位壓力，防止毛料與模具直接接觸。沖壓時，應(yīng)使用機油對模具進行補充潤滑。沖壓后，用有機稀釋劑除掉保護膜。第六，在高溫下的沖壓成型，可在鈦合金板料表面噴涂膠體石墨水溶液潤滑劑。它是一種高純石墨分散懸浮于水的石墨乳，能在室溫下很快干燥，形成一層致密的石墨膜。沖壓時，它能良好保持，有利于零件的脫模。此外，在溫度不高于650℃時，它對防止零件擦傷具有明顯作用。沖壓后，立即用熱水清洗去除石墨膜。

第七，可用毛刷或噴霧器將潤滑劑噴涂在板料表面，注意噴涂前需將板料清洗干凈。

2.3　鈦合金零件熱成型后邊緣的剪切和修理要求

第一，鈦合金零件的邊緣，除有特殊規(guī)定外，應(yīng)倒棱或倒圓至半徑約為0.2mm。該尺寸可目視檢查，但所有斷裂不平、粗糙部分、凸起、刻傷和凹痕都必須去除。

第二，鈦合金零件的邊緣剪切可用切邊模（包括切斷模、切開模等），也可利用振動剪床和手剪刀（用于薄料）。

第三，對厚度不大于1.2mm的TC1和TC4合金零件，在能保證良好的剪切質(zhì)量的前提下，可剪切到零件尺寸，不必留修邊余量。

第四，對厚度在1.0mm以內(nèi)的零件，用金剛砂輪或銼削的方法去毛刺、打光和倒圓，要求磨削方向平行材料表面。對較厚的板材應(yīng)考慮使用其他（如銑切等機械加工）方法清理邊緣。

2.4　鈦合金材料表面處理

第一，去氧化皮。板材在加熱過程中表面生成一層氧化皮。加熱到350～400℃時，氧化皮的顏色是淡稻草色；溫度更高時，顏色變暗；450℃時，氧化皮是黃色；500～550℃時，氧化皮是紫色；600～650℃時，氧化皮是藍色；700～900℃時，氧化皮是灰色；超過900℃時，氧化皮是棕色。氧化皮的厚度隨溫度變化，溫度650℃時為0.0025～0.0050mm，700～750℃時為0.0050～0.0075mm，800～850℃時為0.020～0.025mm，900～950℃時為0.04～0.05mm，1000℃時約為0.1mm，1100℃時約為0.36mm。在溫度低于700℃的一次短時加熱中，板材表面氧化得很輕，實際上對板料沖壓性并無影響。因此，一次短時加熱后不必去氧化皮，只有經(jīng)兩三次加熱后才需去氧化皮。零件最終制成后，則必須去氧化皮。

第二，油脂在加熱時形成碳垢，會給去氧化皮的工作帶來困難，因此需要加熱的毛料或零件，在加熱前應(yīng)仔細用有機溶劑（汽油、洗滌劑）先行除油，清洗干凈。

第三，零件經(jīng)過去氧化皮的清理后，不允許進行對成品零件表面質(zhì)量起破壞作用的補充變形工序。

2.5　零件驗收

2.5.1　零件表面質(zhì)量要求

零件表面在加工成型過程中，原則上不允許產(chǎn)生表面缺陷。如果產(chǎn)生了新的劃傷、擦傷、輕微的凹坑，以及成型過程中有使用工具的痕跡，允許用細砂布打磨使其光滑、呈流線型，但其深度不得超出板料厚度的負偏差的一半。對零件表面的裂紋、波紋等缺陷，可用15倍放大鏡目視檢查。仍有懷疑時，可用25倍放大鏡復(fù)查。

2.5.2　零件邊緣質(zhì)量要求

所有鈦合金零件經(jīng)切割或沖切后的邊緣，包括沖切的口及開口，均需去毛刺和修光，不得有裂紋。所有斷裂不平、粗糙部分、凸出、刻傷和凹痕都必須除去，全部邊緣應(yīng)去銳邊和倒圓至R0.2mm。打磨方向應(yīng)平行于板料表面，邊緣表面光度需滿足要求。

2.5.3　零件彎邊的角度公差要求

對于其他零件相配的成型彎邊，角度公差應(yīng)保持在2°以內(nèi)。對不與其他零件相配的90°加強彎邊，角度公差應(yīng)保持在5°以內(nèi)。

2.5.4　零件的金屬變薄量要求

除有特殊規(guī)定外，板材零件由成型引起的厚度變薄量不會超過名義厚度的5%。拉深件或帶有拉深性質(zhì)的復(fù)雜彎曲件和沖壓件，允許局部變薄到名義厚度的70%。

4、結(jié)語

通過對熱成型過程每一環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)的研究，如工裝選擇、工裝設(shè)計、工裝試壓、熱成型工藝參數(shù)確定、零件切割、零件校形等，采用合理的熱成型工藝參數(shù)制造出合格的4項鈦合金零件。鈦合金熱成型工藝參數(shù)的確定和驗證方法，可為廣泛使用鈦合金零件提供技術(shù)保證。

參考文獻

[1]林兆榮，熊志卿.鈦板高溫機械性能與熱成形工藝參數(shù)[M].南京：南京航空學(xué)院，1985.

[2]《航空制造工程手冊》總編委會.航空制造工程手冊：飛機鈑金工藝[M].北京：航空工業(yè)出版社，1992.

[3]楊志強，張俊，劉衛(wèi)東，等.TC6鈦合金葉片裂紋的產(chǎn)生原因[J].理化檢驗-物理分冊，2023（5）：44-46.

[4]李博，史新鑫，齊風華，等.Ti70合金板熱成型組織性能研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023（9）：69-72.

[5]史文祥，章文亮，陳明和，等.TB8鈦合金復(fù)雜外形槳葉前緣蒙皮多步熱成形工藝研究[J].航空制造技術(shù)，2021（8）：84-91.

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