TNW700鈦合金板材熱彎曲性能

張 濤，付明杰，韓秀全，吳 為

北京航空制造工程研究所塑性成形技術航空科技重點實驗室，北京 100024

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TNW700鈦合金板材熱彎曲性能

張 濤，付明杰，韓秀全，吳 為

北京航空制造工程研究所塑性成形技術航空科技重點實驗室，北京 100024

ZHANG Tao,FU Ming-jie,HAN Xiu-quan,WU Wei

采用帶有不同彎曲圓角的模具對TNW700鈦合金薄板進行熱彎曲實驗，對其在溫度為700～850℃，彎曲圓角為1/4～6t，彎曲角度為90°時的最小彎曲半徑、回彈半徑、回彈角度的變化規律進行了研究。結果表明：沿垂直軋制方向變形的熱彎曲窗口較沿軋制方向的寬，垂直軋制方向彎曲變形時，700℃和850℃的最小彎曲半徑分別為1.5t和1/4t，而沿軋制方向彎曲變形時，700℃和850℃的最小彎曲半徑分別為3t和1t?；貜棸霃胶突貜椊嵌染S溫度的升高和彎曲半徑的增大而減小，回彈方向主要取決于模具的疊放次序。

TNW700鈦合金；熱彎曲變形；回彈半徑；回彈角度

隨著航空航天技術的飛速發展以及材料科學的不斷進步，高溫鈦合金以其高比強、耐腐蝕、高溫性能好等優點得到了越來越廣泛的關注。近年來，國內外先后研制出了IMI834(英國)、Ti1100(美國)、BT36(俄羅斯)以及Ti60(中國)等能夠在600℃長時間使用的高溫鈦合金。同時， 600℃以上使用的鈦合金也是國內外學者競相研究的方向之一。因此，對于此類材料及相應成形、加工工藝的研究具有積極意義。TNW700是中科院金屬研究所與寶雞鈦業有限公司聯合研制的一種Ti-Al-Zr-Sn-Nb-W系多元強化型鈦合金，該合金在Al-Zr-Sn的基礎上加入了一定的Nb及W，通過這兩種同晶型高熔點β穩定元素與中性元素Zr，Sn的共同作用，提高合金的熱穩定性及熱強性。尤其是高熔點元素W的添加，使其的高溫蠕變強度及屈服強度顯著提高[1]。據稱，其短時使用溫度可達700℃。但是，較高的蠕變強度及屈服強度帶來了一系列塑性加工方面的問題。常溫屈強比高、成形范圍窄、回彈大是此類鈦合金的顯著特點[2-4]。目前，國內外對于常規牌號鈦合金薄板的塑性加工方法主要基于加熱后成形[5-9]。并且已經開發出了較成熟的成形工藝。但對于一些近年來新研制出的鈦合金，其塑性成形工藝的基礎研究還有待開展。本工作通過對TNW700薄板進行熱彎曲實驗，研究其不同的成形溫度及不同的彎曲半徑下的極限彎曲半徑及回彈半徑、回彈角度的變化規律、回彈角度的方向及板材的各向異性特點。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用0.8mm 厚退火態TNW700鈦合金板材由寶雞鈦業有限公司生產， 采用三次真空自耗電弧爐熔煉。TNW700鈦合金實際化學成分見表1。三個方向的微觀組織(L為軋制方向，T為垂直軋制方向，ST為軋制面)如圖1所示。L向的α晶粒沿軋制方向有一定的伸長，而T向和ST向均由等軸α晶組成，其平均晶粒尺寸為12μm。

圖1 TNW700鈦合金板材原始顯微組織 (a)軋制方向;(b)垂直軋制方向;(c)軋制面Fig.1 As-received TNW700 sheet microstructure (a)rolling direction;(b)transverse direction;(c)rolling surface

AlSnZrWNbSiFeCNHOTi5．863．405．561．601．150．190．0360．100．040．0060．091Bal

1.2 實驗方法

TNW700板材熱彎曲實驗采用凸凹模熱壓成形方法完成，模具材料為耐熱鑄鋼ZG35Cr24Ni7SiN。模具凸模的彎曲半徑分別為(t為板料厚度)：1/4t，1/2t，1t，1.5t，2t，2.5t，3t，4t，5t，6t，彎曲角度均為90°。采用高壓水切割的方法分別沿軋制方向和垂直軋制方向切取加工熱彎曲試樣，尺寸為120mm×25mm，熱彎曲成形溫度分別為700,750,800,850℃，模具到溫后裝入試樣保溫10min后開始成形，模具下壓速率為1mm/s，當凸凹模偶合后加壓10t，保壓3min后取出試件，空冷至室溫。實驗設備為FSP150t超塑成形機，上下平臺采用電熱棒電阻加熱的方式，平臺使用K型熱電偶測溫，精度范圍：±1.5℃。采用FPI-XDш型熒光滲透檢測生產線對彎曲試樣表面裂紋進行檢測分析。

2 實驗結果與分析

2.1 最小彎曲半徑及回彈半徑

如圖2所示為不同取樣方向熱彎曲實驗范圍內的熱加工窗口。可見，沿軋制方向彎曲(圖2(a))的熱加工窗口小于垂直于軋制方向的熱彎曲(圖2(b))的熱加工窗口。在700℃變形時，I類試樣(沿軋制方向彎曲的試樣，下同)與II類試樣(沿垂直于軋制方向彎曲的試樣，下同)的最小彎曲半徑分別為2.0mm和0.8mm，在750℃變形時，I類試樣與II類試樣的最小彎曲半徑分別為1.2mm和0.8mm，在800℃變形時，I類試樣與II類試樣的最小彎曲半徑分別為1.2mm和0.4mm，在850℃變形時，I類試樣的最小彎曲半徑為0.4mm，而II類試樣的最小彎曲半徑為0.2mm時仍尚未破裂。I類試樣與II類試樣的彎曲半徑變化趨勢相同，均隨著凸模圓角半徑的增加和彎曲溫度的升高，其成形范圍加寬。圖3所示為不同取樣方向彎曲后試樣外圓角回彈半徑變化曲線，回彈半徑δ=Ra-Rt；其中Ra為實際外圓角半徑，Rt為理論外圓角半徑，回彈半徑δ值越大，表明材料變形后回彈越大，與理論值偏差越大。由圖可見，隨著彎曲溫度的升高及彎曲半徑的增大，δ值和對應的回彈半徑逐漸減小。對于I類試樣，700℃時最小δ=0.11mm，750℃時最小δ=0.1mm， 800℃時最小δ=0.05mm，850℃時最小δ=0，對應的彎曲半徑均為4.8mm。對于II類試樣，700℃時最小δ=0.2mm，750℃時最小δ=0.13mm，800℃時最小δ=0.06mm，850℃時最小δ=0.05，對應的彎曲半徑均為4.8mm。從圖3(a)，(b)上可以看出，隨著溫度的升高或彎曲半徑的增大，I、II類試樣的δ均呈下降的趨勢。但兩者回彈半徑的變化規律存在明顯不同，對于I類試樣，當彎曲半徑小于2.4mm(3t)時，δ變化斜率較大，即δ隨彎曲半徑的增加而減小的幅度較大。當彎曲半徑大于2.4mm(3t)時，δ變化斜率較小，即δ隨彎曲半徑的增加而減小的幅度較小。表明回彈半徑在彎曲半徑為3t處發生轉折，彎曲半徑小于3t時，δ值較大且隨彎曲半徑的增大而減小顯著。彎曲半徑大于3t時，δ值較小且隨彎曲半徑的增大而減小漸緩。對于II類試樣，則是在彎曲半徑為2.0mm(2.5t)處發生與I類試樣相似的現象，兩者的規律基本相似。由此可見，TNW700的各向異性較大，垂直軋制方向的彎曲性能明顯優于平行軋制方向的彎曲性能。

圖2 TNW700鈦合金熱彎曲加工窗口 (a)軋制方向;(b)垂直軋制方向Fig.2 TNW700 titanium hot bending process window (a)rolling direction;(b)transverse direction

圖3 不同變形方向的試樣回彈半徑的變化曲線 (a)軋制方向;(b)垂直軋制方向Fig.3 Springback diameter of specimen with different deformation directions (a)rolling direction;(b)transverse direction

2.2 回彈方向及回彈角度

圖4為I類試樣及II類試樣的角度變化曲線。可見，隨著溫度的升高或彎曲半徑的增大，I類試樣及II類試樣的彎曲角度均增大，I類試樣在大彎曲半徑時的彎曲角度增幅大于II類試樣的，但是兩者的彎曲角度均小于或接近90°，這與常溫彎曲時的變化規律相反[10-12]。圖5為常溫、高溫狀態下加載及卸載時圓角應力狀態示意圖。常溫彎曲時，在單位載荷P的作用下板料發生彎曲，其材料截面應力狀態見圖5(a)所示，中性層內側材料應力指向壓力中心線，外側材料應力背離壓力中心線，此時材料發生彈塑性變形。卸載后，彈性變形的驅動力的方向與加載前相反，見圖5(b)。

圖4 不同方向彎曲后的試樣角度變化曲線 (a)軋制方向；(b)垂直軋制方向Fig.4 Corner of specimen with different deformation directions (a)rolling direction;(b)transverse direction

圖5 常溫、高溫板材彎曲加載及卸載時圓角應力狀態示意圖 (a)常溫加載;(b)常溫卸載;(c)高溫卸載Fig.5 Illustrated diagram of stress condition on fillet when loading on and off at room temperature and elevated temperature sheet bending (a)load-on at RT;(b)load-off at RT;(c)load-off at elevated temperature

這是常溫彎曲后試件的實際角度大于理論角度的原因。高溫成形時板料受力與常溫相同，不同的是在高溫作用下，與逐漸被消除，即所謂的應力松弛[13，14]。理論上熱彎曲后的試件角度應該趨近90°，但本實驗取件時，凸模先抬起，試件彎曲的內表面與空氣接觸迅速冷卻，而外表面繼續在凹模上加熱，因此，試件的內外表面形成較大的溫度梯度，材料截面受力見圖5(c)，與加載時相似，在力矩M的作用下板材向內彎曲，因此最終角度小于90°。這主要由于實驗過程中模具疊放次序引起的，如果是凹模先抬起，試件彎曲的外側先與空氣接觸，那么將和本實驗得到的結果相反，原因同上。但無論試件彎曲角度的回彈方向如何，其回彈的規律都一致，即彎曲半徑越小，卸載時由于溫度梯度形成的反向力矩M越大。成形后試件角度較理論值偏差越大。彎曲半徑越大，成形后試件的角度較理論偏差越小。

3 結論

(1)建立了TNW700鈦合金板材的熱彎曲加工窗口，沿垂直軋制方向的變形窗口大于沿軋制方向的變形窗口。垂直軋制方向彎曲時，700，750℃的最小彎曲半徑為1.5t，800℃，850℃的最小彎曲半徑分別為1t，1/4t以下。沿軋制方向彎曲時，700℃的最小彎曲半徑為3t，750，800℃的最小彎曲半徑為2t，850℃的最小彎曲半徑為1t。

(2)回彈半徑以及回彈角度的變化趨勢與彎曲方向無關，與彎曲半徑(凸模圓角)相關，回彈半徑、回彈角度均隨彎曲半徑的增大而減小。彎曲角度的回彈方向與模具的疊放方式有關。

(3)沿垂直軋制方向和平行軋制方向彎曲變形，彎曲半徑分別小于2.5t和3t時，回彈半徑較大；彎曲半徑分別大于2.5t和3t時，回彈半徑隨著彎曲半徑的增大逐漸減小到趨近理論值。

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Hot Bending Properties of TNW700 Titanium Alloy

(Aeronautical Key Laboratory of Plastic Forming Technology,Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China)

Dies with different bending fillet were employed to test the bending properties of TNW700 titanium alloy. The hot bending test of TNW700 titanium alloy sheet under conditions of 700-850℃ and 1/4-6twere studied. The results show that the hot bending process window of specimen along the transverse direction is wider than along the rolling direction. The minimum bending radius are 1.5tand 1/4tunder deformation temperature of 700℃ and 850℃ respectively along the transverse deformation direction, and the minimum bending radius are 3tand 1tunder deformation temperature of 700℃ and 850℃ respectively along the rolling deformation direction. Springback radius and springback angle decrease with the increase of temperature and bending radius. Springback direction depends on the placement sequence of the male die and female die.

TNW700 titanium alloy;hot bending deformation;springback radius;springback angle

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.07.012

TG146

A

1001-4381(2015)07-0068-05

2014-08-12；

2015-05-29

張濤(1979-)，男，工程師，研究方向為金屬成形技術，聯系地址：北京市340信箱106研究室，E-mail：zt0202@163.com