TC4鈦合金蜂窩芯的擴散連接/拉伸成形工藝

周賢軍，武 永，陳明和，謝蘭生，秦中環

(1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016；2.北京航星機器制造有限公司，北京 100013)

0 引 言

鈦合金蜂窩夾層結構由上下2塊薄壁面板與中部鈦合金蜂窩芯組成，具有密度小、剛性大、強度高、隔熱隔音性好的優點，在航空航天領域得到廣泛應用[1-3]。鈦合金蜂窩芯的制備方法主要包括成形法、增材制造法等。成形法工藝流程為先將薄板預成形成瓦楞板，再焊接成蜂窩芯[4-5]。虞文軍等[6]采用輥壓/校形法制備了蜂窩芯瓦楞板，分析了輥壓齒輪間隙和校形參數對瓦楞板尺寸精度的影響。蘇小麗[7]和山口近吾等[8]分別采用點焊和釬焊方法研究了瓦楞板的拼接工藝，并成功制備了蜂窩芯樣件。王琦等[9]研究了點焊TC1鈦合金蜂窩芯的面抗壓性能，發現焊點強度對蜂窩芯平壓極限載荷的影響較大，平壓時的失效形式為焊點剪切失效和蜂窩芯屈曲變形。BARANOWSKI等[10]研究了激光增材制造Ti-6Al-4V鈦合金蜂窩芯在準靜態壓縮下的變形行為，發現隨著蜂窩芯壓縮過程的進行，壓縮力發生不穩定變化，蜂窩芯胞體尺寸影響其力學性能。雖然針對成形法制備鈦合金蜂窩芯的研究已較為深入，但瓦楞板之間的連接強度普遍較低[11]；而增材制造蜂窩芯尚未得到大規模應用，在嚴苛的工作條件下應用時具有一定的局限性。因此，迫切需要研發一種高效、穩定的鈦合金蜂窩芯制造工藝。

在制備復合材料和鋁合金蜂窩芯時，拉伸法[12]是一種常用的高效制備方法，即采用膠接、焊接等方法制備層疊板，再經拉伸變形后得到蜂窩芯[13-14]，可批量制備大尺寸蜂窩芯。這為鈦合金蜂窩芯的制備提供了一種新思路。TC4鈦合金在高溫下具有良好的塑性與擴散連接性能[15]，可采用擴散連接制備TC4鈦合金層疊板，然后經過高溫拉伸得到胞體形狀較一致的鈦合金蜂窩芯[16]。作者采用有限元仿真方法模擬了TC4鈦合金蜂窩芯的擴散連接/拉伸成形過程，基于仿真結果獲得最佳的拉伸長度，通過擴散連接/拉伸成形試驗，研究了蜂窩芯胞體輪廓、壁厚分布以及擴散連接界面形貌，為鈦合金蜂窩芯的擴散連接/拉伸成形制造工藝的應用提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為寶鈦集團有限公司生產的厚度為0.2 mm的TC4軋制薄板，其化學成分符合GB/T 3620.1—2016標準。TC4鈦合金的室溫抗拉強度為1 012 MPa，在高溫下具有良好的塑性和擴散連接性能[17]。經過擴散連接工藝處理后TC4鈦合金在800 ℃和不同應變速率下拉伸的真應力-真應變曲線如圖1所示。

圖1 TC4鈦合金在800 ℃和不同應變速率下拉伸時的真應力-真應變曲線Fig.1 True stress-true strain curve of TC4 titanium alloy during tension at 800 ℃ and different strain rates

鈦合金蜂窩芯的擴散連接/拉伸成形工藝的原理如圖2(a)所示：先用擴散連接方法將噴涂氮化硼隔離劑的TC4鈦合金薄板制備成層疊板，再沿層疊板法向高溫拉伸成蜂窩芯。TC4鈦合金薄板長度為130 mm，氮化硼噴涂長度為20 mm，噴涂區間隔長度為20 mm。蜂窩芯胞體目標形狀為正六邊形，胞體邊長L為10 mm，蜂窩芯厚度t為10 mm，由10層鈦合金薄板組成，共5層蜂窩胞體。TC4鈦合金擴散連接溫度為920 ℃，擴散連接壓力為3 MPa，保壓時間為60 min。采用UTM5504X型高溫拉伸試驗機以及圖2(b)所示的拉伸夾具進行拉伸成形，夾具部件可在導軌上自由移動。拉伸時溫度為800 ℃，拉伸速度為1 mm·s-1，拉伸前保溫20 min，拉伸長度根據有限元仿真優化得到。拉伸完成后，迅速取出蜂窩芯并水冷以保存高溫組織。在拉伸過程中，由于胞體輪廓在不斷發生變化，采用蜂窩芯斜邊與水平方向的傾角θ、蜂窩芯胞體寬度W和蜂窩芯胞體高度H描述蜂窩芯胞體尺寸。

圖2 擴散連接/拉伸成形法制備鈦合金蜂窩芯的原理以及拉伸夾具Fig.2 Schematic of diffusion bonding/stretch forming principle for titanium alloy honeycomb core (a) and stretching fixture (b)

采用游標卡尺測量蜂窩芯中部胞體的高度與寬度，獲取蜂窩芯的整體輪廓。采用熱鑲嵌法制備擴散連接層疊板和蜂窩芯金相試樣，利用砂紙打磨和機械拋光，再用Kroll試劑(體積分數2% HF和體積分數4% HNO3組成的溶液)腐蝕后，采用MR5000型光學顯微鏡觀察顯微組織。為了獲取蜂窩芯拉伸變形后的板料減薄量，采用顯微測量軟件對胞體斜邊，即圖2(a)中主要變形區的厚度進行測量，測試間隔為1 mm。

2 有限元仿真模型

5層正六邊形蜂窩芯的理論總高度為88.4 mm，而拉伸過程中胞體變形存在圓角過渡而無法形成正六邊形[18]，因此不能直接采用理論高度作為其拉伸試驗參數。為了獲得合適的拉伸長度，采用ABAQUS軟件中的Dynamic Explicit模塊對蜂窩芯的拉伸成形工藝進行仿真。圖3為蜂窩芯拉伸成形的有限元模型，采用C3D8R單元進行網格劃分，采用結點綁定的方式模擬擴散連接，方框內為施加拉伸載荷的區域，拉伸方向垂直于板料表面，拉伸速度為1 mm·s-1，拉伸長度分別為55, 65, 75, 85，95 mm。仿真過程中TC4鈦合金的材料塑性參數由高溫拉伸應力-應變曲線獲得。

圖3 蜂窩芯拉伸成形有限元模型Fig.3 Honeycomb core stretching forming finite element model

3 結果與討論

3.1 有限元仿真結果

由圖4可以看出,當拉伸長度為55 mm時，蜂窩芯最外側胞體的拉伸應變較大；隨著拉伸過程的進行，胞體形狀逐漸規整，在拉伸至75 mm時，蜂窩芯胞體接近正六邊形結構；隨著拉伸長度的繼續增加，蜂窩芯縱向繼續伸長，橫向繼續收縮，胞體形狀向長方形轉變；當拉伸長度為95 mm時，蜂窩芯胞體呈長方形。拉伸開始時，由于拉伸載荷直接作用在外層的板料上，外層的層疊板先變為扁平六邊形，整體變形不均勻，造成外層板料應變集中；隨著拉伸過程的進行，所有板料被均勻拉開，此時邊緣板料發生彎曲變形而造成應變集中；當胞體形狀變為長方形后，部分板料直接受到拉伸力作用而發生變形。由此可知，在擴散層疊板拉伸變形至六邊形的過程中，蜂窩芯擴散連接區域主要承受彎曲力，其邊緣發生連接界面撕裂和板料彎曲斷裂的可能性較大。

圖4 模擬得到拉伸不同長度后蜂窩芯的等效塑性應變云圖Fig.4 Simulated equivalent plastic strain cloud of honeycomb core by stretching for different lengths

理論正六邊形的高度為17.3 mm，寬度為20 mm，傾角為60°。由圖5可以看出：模擬得到隨著拉伸長度的增加，胞體高度和側邊傾角增加，寬度減小，當拉伸長度為75 mm時，胞體寬度和高度、側邊傾角分別為21.7 mm, 14.9 mm, 70°，胞體形狀最接近正六邊形。因此，根據仿真結果選擇75 mm作為拉伸長度進行蜂窩芯拉伸試驗。

圖5 模擬得到拉伸不同長度后蜂窩芯胞體的尺寸Fig.5 Simulated size of cell of honeycomb core by stretching for different lengths

3.2 試驗結果

3.2.1 成形質量

由圖6可以看出：拉伸75 mm后蜂窩芯胞體基本為規則的六邊形，未出現粘連、撕裂、彎曲斷裂現象，蜂窩芯中部質量較好，但部分胞體出現了邊長不一致的情況，且外側胞體發生一定程度的畸變；在拉伸初期，需要將板料從平面狀態拉起至彎曲變形狀態，其拉伸力增加得較快，而在進入彎曲變形階段后，拉伸力緩慢上升，在拉伸長度超過55 mm后，拉伸力迅速上升，并出現較大波動。

圖6 拉伸75 mm后蜂窩芯的外觀及拉伸力-位移曲線Fig.6 Appearance of honeycomb core by stretching 75 mm (a) and tension force-displacement curve (b)

對圖6中蜂窩芯中部7個胞體的尺寸進行測量，結果如圖7所示。由圖7可以看出，蜂窩芯中部胞體的尺寸差距較小。計算得到胞體的平均高度為16.2 mm，平均寬度為21.5 mm，與理想正六邊形尺寸間的相對偏差僅為6.59%與7.55%，說明最外側的胞體畸變對中部胞體尺寸的影響較小。

圖7 拉伸75 mm后蜂窩芯中部胞體的高度與寬度Fig.7 Height (a) and width (b) of cell of honeycomb core by stretching for 75 mm

取圖6(a)中方框所示蜂窩芯中部胞體的試驗和仿真輪廓，與理想正六邊形輪廓進行對比，結果如圖8所示。由圖8可以看出：試驗得到胞體的寬度和高度、斜邊傾角別為21.0 mm, 8.2 mm和65°，與正六邊形尺寸間的相對偏差分別為4.90%, 5.09%，8.33%；測得試驗和仿真得到胞體的圓角半徑分別為2.5，3.3 mm。

圖8 試驗得到拉伸75 mm后蜂窩芯中部胞體輪廓與仿真結果以及理想正六邊形輪廓的對比Fig.8 Comparison of tested cell outline of honeycomb core middle part by stretching for 75 mm with simulation and ideal regular hexagon outline

由圖9可以看出：仿真得到蜂窩芯板料的最小厚度為0.190 mm，最大厚度為0.204 mm，最大減薄率為6.86%，且板料最薄處位于圓角附近；試驗得到蜂窩芯板料的最小厚度為0.194 mm，最大厚度為0.205 mm，最大減薄率為5.37%，最薄處也位于圓角附近。在板料拉伸變形過程中，圓角處承受了較大的彎曲力以及沿板料的拉伸力，因此圓角附近的板料厚度最小。

圖9 試驗得到拉伸75 mm后蜂窩芯板料厚度分布曲線與仿真結果的對比Fig.9 Comparison of tested plate thickness distribution of honeycomb core by stretching for 75 mm with simulation

試驗得到拉伸75 mm后蜂窩芯質量較好，但由于層疊板在噴涂隔離劑和疊放過程中會產生尺寸誤差，部分胞體邊長不一致；夾具部件安裝在層疊板上時存在一定的安裝誤差，夾具部件與導軌的配合精度不足，這些都會導致拉伸力無法垂直作用在胞體的拉伸區域上，從而影響部分胞體的形狀；夾具部件在導軌上移動時存在摩擦力，阻礙了外側胞體在寬度方向上的收縮，導致外側胞體變形不充分而發生畸變[18]。通過提高TC4鈦合金薄板疊放精度以及改進夾具設計可以減小此類工藝缺陷。

3.2.2 擴散連接界面形貌

由圖10可以看出：層疊板擴散連接區域未見明顯孔洞缺陷，擴散連接質量良好，擴散連接區域與母材區域的組織相同，擴散連接區與隔離劑區域界面處存在部分虛焊過渡段，其長度為150 μm左右，這是噴涂隔離劑所引起的正?，F象；拉伸75 mm后蜂窩芯擴散連接質量良好，未擴散連接區域的薄板在拉伸力作用下發生彎曲變形，彎曲圓角區域未出現裂紋，部分虛焊過渡段因連接強度較差而裂開，其長度減小到70 μm左右。經檢查發現，擴散連接區域的焊合率均超過了95%。由此可見，擴散連接/拉伸成形工藝可以實現蜂窩芯板料間的冶金結合，且拉伸成形過程不會對擴散連接質量造成影響。

圖10 擴散連接層疊板以及拉伸75 mm后蜂窩芯擴散連接界面處的微觀形貌Fig.10 Micromorphology diffusion bonding interface area of diffusion bonding laminate (a-b) and honeycomb core by stretching for 75 mm (c-d): (a, c) overall morphology and (b, d) amplification of bonding interface area

4 結 論

(1) 在920 ℃/3 MPa/60 min參數下對表面間隔噴涂氧化硼隔離劑的10層TC4鈦合金薄板進行擴散連接得到層疊板，并在溫度800 ℃、拉伸速度1 mm·s-1下拉伸75 mm制備蜂窩芯，該蜂窩芯形成了規則的正六邊形胞體，驗證了擴散連接/拉伸成形制備TC4鈦合金蜂窩芯的可行性。

(2) 蜂窩芯中部胞體平均高度為16.2 mm,與正六邊形高度的相對偏差為6.59%，平均寬度為21.5 mm,與正六邊形寬度的相對偏差為7.55%，彎曲變形圓角為2.5 mm，板料的最大減薄率為5.37%。

(3) 擴散連接得到的層疊板結合緊密，擴散連接區域未見明顯缺陷，焊合率均超過了95%，擴散焊接區域和隔離劑區域過渡處存在一段虛焊區域，經拉伸變形后焊縫未被撕裂。