大型鈦合金雙層板超塑成形/擴散連接工藝仿真**

朱 麗 遲彩樓 張曉巍 王國峰

(①沈陽飛機工業(集團)有限公司技術中心，遼寧 沈陽 110850； ②哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

大型鈦合金雙層板超塑成形/擴散連接工藝仿真**

朱 麗①遲彩樓①張曉巍①王國峰②

(①沈陽飛機工業(集團)有限公司技術中心，遼寧 沈陽 110850； ②哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

選取大型TC4鈦合金雙層板工件為研究對象，采用超塑成形/擴散連接工藝成形。通過材料基礎性能實驗獲得板料和模具材料在不同溫度下的比熱容、導熱系數和熱膨脹系數等；通過成形過程的熱力耦合有限元數值模擬，得到板料貼模效果、厚度分布、溫度場變化和熱收縮后尺寸結果，并進行實驗驗證。結果表明：成形后工件壁厚分布均勻，成形凹槽部位的板厚減薄率最大達到15%，降溫過程中的溫度變化和熱收縮引起最終的尺寸變化，并明確了模具長度方向的縮放系數應為6‰～7‰，對這種窄長工件的實際生產具有重要的參考價值。

TC4鈦合金；雙層；超塑成形/擴散連接；基礎性能；數值模擬

超塑成形/擴散連接(SPF/DB)工藝已經成為航空航天領域鈦合金多層板加強結構的一種重要的加工方法[1-5]。止焊劑的涂敷由常溫下的樣板尺寸確定，未考慮各點位置的高溫尺寸變化，由于金屬板料與模具在高溫環境下的熱物性參數等方面的不同，經過復雜的變形過程后，導致成形后工件在加強筋轉角處容易出現溝槽，并且冷卻后的工件整體尺寸也容易超出公差要求。

本文首先通過實驗獲取板料和模具材料在不同溫度下的比熱容、導熱系數和熱膨脹系數等，再通過熱力耦合有限元數值模擬研究雙層板的成形過程，并結合實驗進行驗證。

1 材料超塑性本構關系

(1)

材料在發生超塑性變形時，一般不出現應變硬化，即硬化指數n=0，所以式(1)近似為:

(2)

式中：K為材料系數，它與變形溫度、顯微組織和結構缺陷有關；m為流動應力對應的應變速率敏感性指數。式(2)是表征材料超塑性變形的流動應力與應變速率之間關系的基本方程式，又稱為超塑流變方程或Backofen方程[6-8]。

2 有限元模擬設置

整體有限元模型如圖1所示，模型從上到下順序依次為上模，板1，板2，下模，其中板1變形量較小，貼于上模成形型面，下模為主要成形模具，板2產生超塑性變形貼于下模，并與板1進行擴散連接。模具網格類型為四面體網格，上模網格數量29 800，下模網格數量34 620。成形坯料為平面板材，厚度分別為0.7 mm和1 mm，采用殼單元，網格數量為15 000。

TC4板料的材料參數：泊松比為0.41，密度為4 500 Kg/m3，材料系數K為501，應變速率敏感性指數m為0.56。板材和模具材料ZG35Cr24Ni7SiN的比熱容和導熱系數通過實驗測得，見表1和表2。模具在成形過程中變形量較小，沒有塑性變形，只考慮彈性變形、熱收縮率及熱力學性能，因此，材料類型為彈塑性，彈性模量為500 000，泊松比為0.3，熱擴散系數設定為0.01。圖2為實驗測得熱膨脹系數隨溫度變化曲線。

接觸設置：共有4個接觸體，上模、板1、板2、下模，均為變形體，它們之間的接觸摩擦系數設定為0.25。初始條件中所有節點的初始溫度為920 ℃。邊界條件：超塑性成形時沿一個方向，約束其另外兩個方向位移為零，并且模具不發生轉動。載荷約束：施加板料成形力，采用面載荷在板料模型單元面上施加沿單元變形方向的力，載荷隨時間變化，到60 s達到最大壓力1.8 MPa，持續20 s，減壓，最長加載時間為100 s[9-11]。

3 模擬結果分析

3.1 貼模效果

工件的實際尺寸約為2 000 mm×600 mm，成形過程結束后板料完全貼模，模擬結果如圖3所示。

3.2 厚度分析

圖4分別是板1和板2厚度的分布云圖，變形量越大的部位板厚減薄量越大，板料的左側邊緣處板厚基本不變，減薄量最大的部位發生在曲面變形區域。該工件成形后板1的最大減薄率達10%，板2凹槽的成形對板厚變化影響較大，減薄率達15%。

表1 比熱容

溫度/℃1002003004005006007008009001000比熱容/(J/kg·K)板料6246536746917037427708609601030模具475497515532549566619657710752

表2 導熱系數

溫度/℃101．5301．5501．7701．7801．7851．8901．8921．8951．8導熱系數/(W/(m·K)板料6．588．2210．0611．8112．8713．4814．2314．0714．11模具12．7514．6217．2119．1423．3724．3025．3225．9925．58

選擇圖5中板2厚度最小處的節點A點區域，如圖8所示為在成形過程中A節點處板厚隨時間的變化。在變形階段，該區域首先發生曲面變形，然后超塑成形凹槽，其板厚一直在均勻減小，成形結束后，板厚約為0.85 mm。

3.3 溫度場分析

圖6是板1和板2降溫結束后的溫度分布云圖，圖7為降溫結束后上模具和下模具的溫度分布云圖。變形板的溫度分布與模具的溫度分布一致，都是在對應模具厚度較大的部位溫度較高，邊緣處溫度較低，相同區域溫度值基本一致。在邊緣處，無論是模具還是變形板，在熱傳導和熱輻射等散熱機制作用下，散熱較快，溫度下降速度快；模具內部和變形板的降溫主要靠熱傳導的作用，散熱較慢。A點和B點是板2降溫結束后溫度最高區域和邊緣處一點，圖8是兩點的溫度變化曲線，在15 000 s之前，由于這個時間段內溫度高，下降較快，B點熱輻射和熱傳導速度比A點快；當溫度降低至200 ℃以下后，溫度下降速度急劇降低。

3.4 熱收縮分析

由于縱向整體尺寸較大，橫向較小，因而縱向因溫度降低造成的熱收縮尺寸變化較大，橫向變化較小。圖9和圖10分別是板1、板2、上模具和下模具在降溫過程中沿縱向的位移分布云圖，沿縱向呈梯度分布，兩側的位移較大，單方向位移變化值最大約10 mm，中心部位基本沒有位移。模具材料的熱膨脹系數相對板料較大，因此模具收縮也較嚴重。

選擇變形板和模具縱向邊緣處節點，分析其縱向位移隨溫度的變化，并與通過熱膨脹系數計算得到的相應值對比，發現在降溫過程中，模具和變形板模擬中的收縮尺寸都要小于理論計算值。這是因為模擬計算中對邊緣節點的位移約束和變形板中心區域產生局部大變形并與模具相互作用，這兩個方面的的綜合影響導致變形板收縮更小。這也說明板料成形后隨模具一起冷卻對工件的形狀和尺寸有影響，模具制約了工件尺寸的變化。

4 試驗驗證

4.1 試驗過程

實驗設備：法國ACB公司FSP400T型超塑成形機。

主要實驗過程：(1)加熱模具至300 ℃。(2)加壓邊力，開始抽真空和通過外部氣壓加載控制系統充入高純氬氣保護板料。(3)繼續加熱至成形溫度920 ℃，向板料內充氬氣加載1.8 MPa持續時間40 min。(1)氣壓加載結束后，即完成整個SPF/DB過程，把氣壓逐漸降低到0，停止加熱，等模具溫度降低到200 ℃以下，開爐取件。

4.2 試驗件

試驗制取的工件如圖11所示，工件的局部出現溝槽，這是由于在常溫時，樣板按理論尺寸進行設計和展開，是由于熱膨脹引起隔離劑位置變化引起的。工件在長度方向加強筋間距較理論尺寸長3～3.5 mm。這是由于模具在長度方向縮放系數不合適而引起的。

上述問題與模擬仿真后的結果趨勢相同，因此對樣板進行了局部修正，根據板料膨脹規律，將樣板相應位置加大3 mm涂覆余量。另外，通過模擬與實驗結果，明確了模具設計時的長度方向的縮放系數應為6‰～7‰。

5 結語

(1)通過實驗測試得到了TC4板材和模具材料在不同溫度時的比熱容、導熱系數和熱膨脹系數等性能參數，為有限元模擬計算提供了基礎數據。

(2)模擬結果顯示，通過超塑性成形的熱力耦合分析計算，分析了模擬過程中工件的變形過程、板厚變化、降溫過程中的溫度變化和熱收縮引起的尺寸變化。

(3)通過模擬與實驗結果，明確了模具設計時的長度方向的縮放系數應為6‰～7‰，對這種窄長工件的實際生產具有重要的參考價值。

[1]文九巴,楊蘊林,楊永順,等.超塑性應用技術[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2]王國峰,張凱鋒.快速超塑性的研究與應用[J].塑性工程學報,2010,17(6):55-61.

[3]Yan H H, Zhang K F.Processing of multi-sheet structures of an aluminum alloy by laser welding/superplastic forming[J]. Materials and Design, 2010, 31: 2220-2223.

[4]于維新,李淼泉.材料超塑性和超塑成型/擴散連接技術及應用[J].材料導報,2009,23(6):8-12.

[5]韓文波,張凱峰,王國峰. Ti-6Al-4V合金多層板結構的超塑成形/擴散連接工藝研究[J]. 航空材料學報, 2005,25 (6): 29-32. [6] Zhao Bing, Li Zhiqiang, Hou Hongliang, et al. Three dimensional FEM simulation of titanium hollow blade forming process[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2010, 39(6): 0963-0968. [7]王高潮,梁軍輝,謝崴,等.高溫拉伸試驗機超塑性拉伸誤差分析[J].熱加工工藝,2013,42(8):59-62. [8] 崔元杰.TC4多層板結構超塑成形/擴散連接工藝數值模擬與試驗研究[D].南京:南京航空航天大學,2007. [9] Bonet J,Gil A,Wood R D,et a1.Simulating superplastic forming[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2006,195:6580-6603. [10]盧萬云,謝蘭生,王榮華. TC4鈦合金夾層結構激光焊接芯板超塑成形[J].熱加工工藝,2010,39(9):105-107. [11]黃鋼華,張益華,門向南,等.鈦合金超塑成形/擴散連接的數值模擬及工藝研究[J].稀有金屬與硬質合金,2009,37(3):16-20.

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Technological simulation of large titanium alloy two-layer SPF/DB structure

ZHU Li①, CHI Cailou①, ZHANG Xiaowei①, WANG Guofeng②

(①Technology Centre, Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang 110850, CHN; ②School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, CHN)

Two-layer sheets structure of TC4 titanium alloy were researched. The sheets were formed by superplastic forming/diffusion bonding( SPF/DB) process. The specific heat, heat conduction coefficient and thermal expansion coefficient of the sheet and die material were obtained with the tests of blank forming property. The forming result, thickness distribution, temperature variation, constriction size after conducting heat were studied by finite element numerical simulation of heat force coupling, then use superplastic forming test to verify it. The results show that the thickness of the sheet metal distributes uniformity, the thinnest position in the notch reaches 15%, the temperature variation and the heat constriction arouse size variation during cooling down, and the expansion coefficient of the die in length is 6～7 in a thousand, so it has reference value to the narrow and long part in actual manufacture.

TC4 titanium alloy; two-layer; SPF/DB; basic property; numerical simulation

TG306

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.016

朱麗，女，1982，碩士，工程師，主要研究方向為鈑金成形工藝。

(編輯 李 靜)

2016-07-23)

161224

*國家科技重大專項(2013ZX04001041)