鈦合金薄壁筒形件熱強旋宏微觀成形規律研究進展

詹 梅，王賢賢，高鵬飛

(1.西北工業大學陜西省高性能精確成形技術與裝備重點實驗室， 陜西 西安； 710072 2.西北工業大學凝固技術國家重點實驗室， 陜西 西安 710072；3.西北工業大學材料學院，陜西 西安 710072)

航空、航天和兵器等領域高端裝備的迅速發展，特別是新一代戰機和大型運載火箭等的研制，對大運力、低能耗、復雜環境適應性、長壽命的要求不斷提高，這就迫切要求其關鍵構件具有高性能、輕量化和高功效的特性。采用輕質高強的耐熱材料和大型整體化、薄壁輕量化的結構是滿足上述要求的有效途徑[1]。鈦合金大型薄壁筒形件就是這樣一種典型構件，它采用比強度高、耐熱性和耐蝕性好的鈦合金，大型整體的薄壁結構，可以有效地減輕裝備重量和提高服役性能，在航空航天領域的應用日益廣泛，如火箭助推器殼體、導彈艙段、壓力容器、發動機空心軸、火藥桶等回轉類零件。這類構件常用作關鍵承載構件，對組織性能的要求很高，而且隨著高端裝備的迅速發展，其結構不斷向大直徑、小壁厚的極端尺寸結合特征發展，因此迫切要求發展此類構件的高性能高效成形技術。

目前，此類回轉類構件的常用成形方法主要有板料卷焊、擠壓和強力旋壓。板料卷焊必然會產生焊縫，服役過程中容易形成應力集中與微缺陷，進而導致斷裂失效，成為限制構件服役性能的薄弱環節。擠壓可以實現此類構件的整體高性能成形，有效避免焊縫易失效問題，但由于鈦合金變形抗力大、難變形，且構件直徑大、壁厚薄，導致成形載荷大、設備要求高，極大限制了鈦合金大型薄壁筒形件的成形能力。而強力旋壓技術通過旋輪沿筒坯軸向的連續點加載作用使其產生連續局部塑性變形，進而實現回轉類構件的整體成形(見圖1)，具有成形載荷低、質量穩定、材料利用率高、成本低等優點。在強力旋壓成形中同時對構件進行加熱，引入熱成形優勢，不僅能夠顯著降低材料變形抗力、提高材料塑性、拓寬成形構件的尺寸范圍，還能有效提升構件的組織性能均勻性。因此，熱強旋成形技術同時具備了省力、柔性、成形成性一體化的優勢，為鈦合金大型薄壁筒形件高性能精確成形制造提供了極具潛力的方法[2-3]。研究發展鈦合金大型薄壁筒形件熱強旋成形理論與技術既是航空、航天等高端裝備發展的迫切需求，也是塑性成形領域的研究前沿。

鈦合金大型薄壁筒形件熱強旋成形是多場耦合、多參數作用下的多道次熱成形過程，成形中材料在旋輪作用下經歷伴有較強剪切作用的不均勻變形，材料變形狀態十分復雜，宏觀成形方面容易產生不貼模、隆起、喇叭口、斷裂等缺陷。微觀組織演化方面，復雜的變形狀態可能會誘發晶粒拉長、動態再結晶、晶粒取向轉動與剪切細化等復雜的組織演化機制，進而顯著改變組織形態與特征參數，而且鈦合金組織對熱加工條件的敏感性會加劇多道次熱強旋成形中微觀組織演化的復雜性。合理調控鈦合金熱強旋成形中復雜的成形特征與組織演化，是避免宏觀缺陷，調控構件綜合力學性能，提升成形極限(構件極限尺寸)的關鍵。但鈦合金多道次熱強旋成形中微觀組織演化機制與規律復雜，影響因素眾多且涉及多道次的連續變化與遺傳影響，而宏觀缺陷(如損傷斷裂等)又一定程度上受組織演化與變形參數的影響，大大增加了形/性一體化協同調控難度，制約了此類構件的高性能極端成形制造。

圖1 筒形件正旋及反旋示意圖

近年來，國內外學者針對鈦合金大型薄壁筒形件熱強旋宏微觀變形規律開展了系列研究，取得了大量有益進展。本文對相關結果進行了綜述，并總結了該領域仍需研究解決的問題。

1 筒形件強力旋壓宏觀變形規律與缺陷控制

近年來，國內外學者針對筒形件強力旋壓成形機理與基本規律開展了大量研究，取得了一定理論成果與技術應用。筒形件強力旋壓變形特征方面，Xu等[4]通過有限元模擬分析了流動旋壓中不同區域的應力應變分布特征，發現旋壓變形區承受三向壓應力，材料沿徑向產生壓縮變形，軸向及環向產生拉伸變形，如圖2所示。Mohebbi等[5]發現筒形件強力旋壓時，局部加載變形特征使得材料在軸向及環向均存在較大的剪切變形。筒形件強力旋壓成形規律方面，Fazeli等[6]基于統計學的方法建立了2024鋁合金管強力旋壓中工藝參數、材料參數與旋壓件表面質量間定量關系，發現增大減薄率、減小旋輪進給速度和芯軸轉速、提高熱處理溫度能夠改善表面質量。Hua等[7]對筒形件三旋輪旋壓進行了模擬研究，結合應力應變特征分析，揭示了成形中隆起和不貼模缺陷的形成機理，如圖3(a)所示。Zhan等[8]通過有限元模擬分析了筒形件正旋成形中喇叭口的形成機制(圖3(b))，發現未旋區材料堆積及剛度下降使金屬向背離芯軸方向流動是造成喇叭口缺陷的本質原因，并提出在旋輪前端增加壓邊環可以有效抑制喇叭口的形成。近年來，熱強旋成形技術快速發展，為難變形材料筒形件的成形提供了有效途徑。Mori等[9]利用密閉空間內熱空氣加熱的方式實現了鑄造鋁合金的熱強旋成形，發現熱旋成形有助于消除鑄造缺陷與表面裂紋(圖3(c))。Zhao等[10]開展了高強鑄造鋁合金的多道次熱強旋成形研究，借助有限元模擬分析了熱旋過程中工件溫度場與不均勻變形的分布特點(圖3(d))。Zhang等[11]通過有限元模擬分析了鎂合金多道次熱旋成形中筒形件厚度方向應力及應變不均勻分布的特征。徐文臣等[3]通過火焰加熱的方式進行了鈦合金筒形件的熱強旋成形，可以有效克服鈦合金變形抗力大、塑性差的限制，但熱強旋成形過程復雜、參數眾多，材料經歷復雜變形歷史，形性一體化調控難度很大。基于以上基礎研究，筒形件強力旋壓技術得到了較大發展，在航空航天領域取得了一定應用，如火箭助推器殼體、導彈艙段、火藥桶等回轉類零件均實現了強力旋壓成形。

圖2 筒形件旋壓不同區域的應力應變特征[4]

(a)隆起和鼓包[7]；(b)喇叭口[8]；(c)表面微裂紋[9]；(d)不均勻溫度及變形[10]

2 筒形件強力旋壓損傷演化行為與斷裂預測

強力旋壓成形大直徑、小壁厚結合的極端尺寸構件時，常需要較大的減薄率，材料將經歷復雜且強烈的不均勻變形，導致成形中容易產生損傷斷裂缺陷，揭示損傷演化行為并準確預測斷裂缺陷的產生，是保證順利成形的重要前提。目前，國內外學者主要通過在有限元模型中嵌入斷裂準則的方法，預測塑性成形中的損傷演化與斷裂缺陷，而構建適當的斷裂準則是其中的關鍵[12]。

Zhan等[13]分別基于Lemaitre和Cockcroft-Latham斷裂準則建立了LF2M鋁合金錐形件剪切旋壓成形斷裂預測有限元模型，與實驗結果對比發現Lemaitre斷裂準則能夠更好地預測斷裂位置(旋輪后方已成形區)，如圖4所示。Zeng等[14]將Johnson-Cook準則嵌入5052鋁合金橢球形封頭剪切旋壓成形有限元模型中，實現了旋輪后方坯料圓角部分的斷裂缺陷預測(圖5)。Kuss等[15]建立了耦合Ayada損傷因子的37MnSi5不銹鋼管滾珠旋壓有限元模型，然后基于不同條件下試驗結果建立了最大損傷因子與成形條件間定量關系，并以減小損傷值為目標對減薄率與進給比進行了優化。文獻[16—17]對比了Oh、McClintock、Brozzo、Rice-Tracey等多種斷裂準則在TA2和Ti-15-3鈦合金筒形件強旋斷裂缺陷預測中的適用性，如圖6所示，并分析了不同減薄量下構件厚度方向應力與應變狀態分布特征，以及其對損傷演化與斷裂缺陷的作用規律。

圖4 LF2M鋁合金錐形件剪切旋壓成形損傷預測[13]

圖5 5052鋁合金錐形件端部損傷破裂實驗及模擬結果[14]

上述工作均是針對室溫強旋成形開展研究，而鈦合金熱強旋成形損傷斷裂研究方面，僅有文獻[18]報道了相關工作。Zhan等[18]基于Oyane斷裂準則，根據不同溫度與應變速率下壓縮實驗結果，建立了斷裂損傷臨界值與溫度及應變速率間定量關系，將Oyane準則的適用范圍推廣至熱變形，并應用于TA15鈦合金筒形件熱強旋成形的損傷斷裂預測，發現內表面最容易發生斷裂缺陷，如圖7所示。類似地，Valoppi等[19]在研究TC4鈦合金熱拉伸變形損傷斷裂預測時，通過構建Johnson-Cook準則中斷裂臨界應變與變形溫度間定量關系，建立了適用于25～900 ℃拉伸變形的修正Johnson-Cook斷裂準則。而近期有關金屬塑性變形細觀損傷機制的研究表明，兩相金屬(鈦合金、雙相鋼等)變形時，微觀組織形態與參數對其細觀不均勻變形特征及空洞形核演化的損傷斷裂行為具有重要影響[20-21]。但已有工作在建立鈦合金熱變形損傷斷裂準則時，都是通過唯象的方法擬合建立斷裂臨界參數與溫度間關系，并未考慮微觀組織對材料變形損傷與斷裂行為的影響。

圖6 TA2鈦管可旋性測試不同韌性斷裂準則下損傷分布[16]

圖 7 熱強旋成形損傷比值分布及實驗結果[18]

3 熱強旋組織演化規律與預測

鈦合金熱加工中可能產生多種組織形態，且組織參數(相含量、尺寸、分布)演變對工藝條件十分敏感，對構件的使用性能具有重要影響。最近幾十年，國內外學者對鈦合金熱成形中組織演變機制、規律及預測做了大量的研究工作。鈦合金熱變形組織演變機制復雜多樣，主要包括αβ相變、動態回復、動態再結晶、片層球化、晶粒扭折/拉長、晶粒動態長大/破碎等，而這些演變機制與規律強烈依賴于初始變形組織和變形條件[22]。Zhao等[23]在Ti60鈦合金熱壓縮變形中發現，初始魏氏組織在變形中主要發生片層球化，而雙態組織則主要發生動態回復與再結晶，演化機制完全不同。Gao等[24]在研究TA15鈦合金等溫局部加載成形時發現，多道次熱成形中復雜溫度歷史與不均勻變形對鈦合金組織形態和參數均具有重要影響(圖8)。文獻[25—26]發現鈦合金在等通道轉角擠壓和扭轉變形時，由于存在較強的剪切變形作用，晶粒細化現象相對壓縮或拉伸變形時更為明顯，表明變形狀態對鈦合金組織演化也具有重要影響。組織預測模型方面，目前主要有以下4種[27]：經驗模型、統計模型、基于物理機制的內變量模型和直接模擬模型，根據應用背景與需求不同，4種模型均被廣泛采用。

(a)局部加載示意圖；(b1-b3)變形溫度970℃/930℃；(c1-c3)變形溫度970℃/950℃ (每個試樣，每張組織圖對應區域A，B，C)

鈦合金多道次熱強旋成形中變形歷史與不均勻變形狀態十分復雜，這會加劇組織演化的復雜性。目前，國內外學者也對此開展了一些初步研究。Zhan等[28]研究揭示了TA15鈦合金熱剪切旋壓中旋輪偏離率和加熱溫度對微觀組織的影響規律，重點分析了偏離率對厚向組織不均勻性的影響規律。文獻[29—31]開展了TA15鈦合金筒形件熱強旋(包含正旋和反旋)中組織性能規律研究，揭示了構件不同部位的微觀組織形態、組織參數、織構和力學性能的分布特征(圖9)，發現成形中α晶粒會被拉長、細化并形成{0002}基面織構，同時還發現增大減薄量可以獲得更細小的α晶粒并提高拉伸強度。Wang等[32]研究發現了TA15鈦合金多道次熱強旋成形過程中，連續動態再結晶及變形引起的局部剪切是晶粒細化的主要機制，并分析了多道次熱強旋組織演變對筒形件軸向及環向力學性能的影響，如圖10所示。陳勇[33]采用平面應變熱壓縮實驗模擬熱強旋成形中材料的變形狀態，獲得了不同變形條件下的組織參數(晶粒尺寸、晶粒軸比等)和力學性能，并通過BP神經網絡建立了變形條件與組織參數間關聯關系，如圖11所示。

4 結論與展望

熱強力旋壓技術是成形航空航天等高端裝備急需鈦合金薄壁筒形件的關鍵技術，但其成形中材料受旋輪局部加載與復雜溫度場作用，可能產生損傷破裂、隆起等宏觀缺陷，且會誘發復雜的微觀組織演化，進而影響最終薄壁筒形件成形精度與力學性能。

(a)組織形態[30]；(b)組織參數[30]；(c)織構[30]；(d)拉伸強度及延伸率[31]

(a)晶粒細化特征；(b)晶粒細化機制；(c)屈服強度；(d)抗壓強度

(a)初始α晶粒尺寸；(b)再結晶體積分數；(c)顯微硬度

目前，國內外學者在筒形件強旋宏觀成形規律與缺陷控制、損傷斷裂預測、組織性能演化預測等方面取得了一定進展，為實現鈦合金薄壁筒形件熱強旋成形成性一體化制造提供了指導，但仍面臨以下困難和挑戰：

1)如何建立基于物理機制的鈦合金多道次熱強旋組織與織構演化預測模型，并定量揭示成形條件對最終組織與織構的影響作用；

2)鈦合金多道次熱強旋復雜組織形態、織構演化與成形構件力學性能間的定量關系；

3)考慮組織演化與復雜剪切變形作用的鈦合金筒形件多道次熱強旋損傷斷裂預測模型的建立；

4)如何實現鈦合金筒形件熱強旋組織性能與損傷演化一體化調控，提高鈦合金筒形件成形極限。

特約專家介紹

詹梅(1972—)，女，西北工業大學教授，博導，“長江學者”特聘教授，“萬人計劃”科技創新領軍人才，國家杰出青年科學基金獲得者，科技部“創新人才推進計劃”中青年科技創新領軍人才，教育部“新世紀優秀人才支持計劃”入選者。現任中國機械工程學會塑性工程分會副理事長，裝備預研航天科技聯合基金專家，中國兵工學會精密塑性成形工程專業委員會副主任委員，制造領域國際期刊Manufacturing Review副主編，《西北工業大學學報》《塑性工程學報》《精密成形工程》編委。主要從事高性能輕量化復雜構件精確塑性成形理論與技術研究。先后主持國家杰出青年科學基金、航天先進制造技術研究聯合基金重點項目、國家優秀青年科學基金、國家自然科學基金面上和青年項目、國家863計劃、國家973計劃子課題、航空科學基金等20余項。合作撰寫專著1部，在塑性成形領域TOP1期刊IJP、頂級期刊JMPT、IJMS等發表論文150余篇，SCI、EI、ISTP收錄100余篇。獲授權國家發明專利20多項，軟件著作權10多項。研究成果獲國家自然科學和技術發明二等獎各1項，省部級一等獎2項、二等獎1項。