TC2鈦合金薄壁型材下陷成形工藝參數分析及優化

張明杰 齊立春 黃利軍 李雪飛 吳澤浩

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

文 摘 采用試驗和計算機模擬相結合的方法，對TC2鈦合金薄壁型材的單邊下陷成形工藝開展研究。通過在室溫至600 ℃范圍內對TC2合金型材的熱拉伸變形行為進行分析，建立了該型材熱拉伸的Johnson-Cook本構模型。在此基礎上，對L截面TC2鈦合金型材的單邊下陷過程進行計算機模擬，分析了下陷過程中型材應力、應力三軸度的分布。結果表明，下陷區L拐角處容易產生應力集中，由于變形前段該區域的應力三軸度Rd>0，呈拉應力狀態，因此微裂紋容易在應力集中處形核并沿型材縱向擴展。通過對成形溫度、下陷段長度和過渡圓角半徑進行優化，得到最佳工藝參數條件為成形溫度300 ℃，下陷區長度21 mm，過渡圓角半徑49 mm。

0 引言

鈦合金型材是一種具有特定截面的長條狀金屬制品，可通過點焊、氬弧焊或鉚接的方式與艙體、壁板等結合，以提高其機構強度，具有結構效益較高的特點，被廣泛應用于飛機長桁、發動機隔框、連接接頭、角材等承力或次承力結構件。目前國內鈦合金型材制備工藝主要有熱擠壓和軋制，具備生產L 形、T 形、Z 形、U 形等多種截面鈦合金型材的能力，可滿足不同結構的工藝需要［1-3］。型材使用過程中與壁板多采用面（型材）-面（壁板）、邊（型材）-面（壁板）方式結合。面-面結合時，在壁板搭接部位的臺階處結合難度較大，點焊后虛接部位在內應力作用下容易開裂，影響結合強度。為了滿足結合強度要求，型材在上述部位結合前需要根據臺階高度對結合面進行下陷成形，以達到提高焊點結合強度，減少焊后殘余應力的目的。

下陷成形是對型材側邊進行壓制，進而成形出臺階的一種加工方法，分冷下陷和熱下陷兩種加工方式［4-5］。冷下陷多用于輕質金屬，優點是成形后零件表面質量好，尺寸精度高；熱下陷多用于難變形材料，可減小變形后的回彈量和殘余應力［6-7］。研究表明無論采用何種加工方式，型材下陷過程中塑性變形主要集中在下陷段，而其他部分的變形量較小，可忽略不計。因此，型材下陷加工應力集中程度較高，下陷深度、成形溫度、下陷段長度等參數下陷加工影響很大，若參數選用不恰當，下陷區域就容易產生裂紋、褶皺等加工缺陷，影響零件性能。此外，鈦合金強度高、變形后容易回彈，進一步加大了鈦合金型材下陷成形的難度。

本文以機體結構件廣泛采用的TC2 鈦合金為目標，選擇截面為等邊L形的薄壁型材下陷典型件作為研究對象，對該型材的單側邊下陷成形工藝進行研究，利用計算機模擬的方法分析下陷深度、溫度等參數對型材整體應力狀態的影響，優化加工參數，達到提高零件成形質量的目的。

1 型材本構模型

鈦合金多采用兩相區熱加工成形，以獲得良好的強度和塑性匹配，但鈦合金熱變形抗力大，屬于難變形材料，因此鈦合金型材擠壓成形一般采用溫度在相變點以上的單相區擠壓成形。熱擠壓成形后的TC2 鈦合金型材的顯微組織照片如圖1所示，組織呈現出單相區大變形后的魏氏組織特征。

圖1 TC2合金型材的顯微組織Fig.1 Microstructure of TC2 alloy profile

計算機模擬作為一種高效的研究手段，多用于材料的變形行為研究，但其計算結果受材料模型準確度影響較大，模型越精確，計算結果與真實情況吻合度就越高。為了揭示TC2 鈦合金型材下陷過程中下陷區的應力和應變分布與下陷深度、下陷溫度、過渡圓角等成形參數之間的關系，需要有限元材料模型能準確描述TC2 合金下陷過程中的變形行為，以提高下陷計算機模擬結果的計算精度。型材下陷成形屬于鈑金加工的一種，成形過程中下陷區主要受拉應力作用，因此，首先通過熱拉伸試驗建立了TC2型材熱拉伸本構模型。試驗所用拉伸試樣均從型材上直接切取，拉伸溫度分別為室溫、100、200、300、400、500 和600 ℃，拉伸速率為0.5 mm/s。不同溫度下TC2合金型材的拉伸變形行為見圖2。

圖2 TC2合金型材在不同溫度下的應力-應變曲線Fig.2 The true stress vs.true strain curves of TC2 alloy profile under different temperatures

Johnson-Cook 模型適用于描述大多數金屬材料在高溫、大變形條件下的變形行為［8-9］，因此本文采用該模型來構建TC2 合金型材的熱拉伸變形行為與變形參數之間的關系。Johnson-Cook 模型的結構形式如下［10］：

式中，為塑性應變，為等效應變速率，為參考速率，Tr為參考溫度，T為變形溫度，Tm為材料的熔點，A、B、C、n、m為材料相關的常數。經過多次線性擬合，得到TC2合金型材的熱拉伸本構模型為：

2 下陷有限元模型

鈦合金下陷成形試驗在自由鍛液壓機上進行，下陷前將模具放置在壓機下平砧上，用熱料將模具預熱到200 ℃，同時利用電阻爐將TC2合金等邊L型材坯料加熱至指定下陷溫度，保溫20 min。下陷時，將型材毛坯快速從加熱爐轉移至模具型腔內，利用壓機上平砧作用下陷模具，完成型材的下陷成形。若進行冷下陷成形則無需對模具和型材毛坯加熱，室溫下可直接將型材毛坯放置在模具型腔內下陷成形。鈦合金型材下陷零件的外廓尺寸初步設計為：縱向長度150 mm，側邊寬度31 mm，壁厚1.6 mm，下陷段的長度14 mm，下陷深度4.5 mm，過渡圓角半徑7 mm。

根據典型件建立的下陷有限元模型見圖3，圖中型材位于上模與下模之間，型材的非下陷側邊與模具之間的距離為0.5 mm，下陷側邊與模具接觸。考慮到型材壁厚較薄，下陷過程中型材對模具的影響較小，因此本文僅保留下陷模具型面的幾何形狀，忽略質量、材質厚度等因素，簡化為平面幾何。簡化后的上、下模具均設定為剛體，有限元網格采用具有四節點的四邊形面單元，單元尺寸為1 mm。模型中型材的外廓與實物完全相同，設定為彈塑性可變形體，網格采用具有八節點的六面體單元，壁厚方向每個單元的尺寸為0.4 mm，縱向、橫向每個單元的尺寸均為1 mm。

圖3 型材下陷成形有限元模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of finite element model of subsidence forming of profiles

以下結合下陷成形試驗對型材冷、熱下陷過程分別進行有限元模擬，其中冷下陷時，模具與型材設定的溫度均為室溫（25 ℃）；熱下陷時，模具設定初始溫度場為200 ℃，型材設定的加熱溫度分別為200、300、400和500 ℃。

3 結果及分析

研究表明型材下陷時塑性變形主要發生在下陷區域，該區域內產生的應力值明顯高于其他部位，容易形成應力集中。圖4為TC2 鈦合金薄壁型材下陷形成的縱向裂紋，裂紋萌生于下陷區域的過渡圓角處并沿型材縱向擴展。

圖4 下陷加工過程中產生的裂紋缺陷Fig.4 Crack defect generated by subsidence deformation

裂紋萌生的位置和擴展趨勢表明，下陷過程中型材內部除了受壓應力作用外，局部位置還受拉應力作用，導致裂紋從拉應力集中處形核。因此，型材下陷成形除了要考慮殘余應力對零件成形精度的影響，還要考慮下陷過程中應力、應變等狀態參數的分布，針對不同下陷深度優化下陷區長度、過渡圓角、下陷溫度等參數，防止加工缺陷的產生。

3.1 下陷過程的型材變形特征

TC2鈦合金L截面薄壁型材單邊下陷成形過程模擬結果見圖5，下陷變形過程中存在三個塑性變形區，分別位于下陷段的兩個過渡圓角處和垂直下陷區的立面。當下陷變形量較小時，型材與上模接觸部位最先發生塑性變形，但應力峰值位于型材下陷區域的L形拐角附近。所述應力集中區域與圖3中開裂位置基本相同，這表明下陷裂紋形核起始于下陷初始階段的應力集中區。隨著下陷變形量的逐漸增大，L形拐角附近的高應力區沿著型材縱向、過渡圓角和未成形的立面延伸。當下陷量達到最大時，整個下陷區、垂直下陷區的立面以及型材L型拐角處均為高應力區，該區域以下陷區為中心，呈放射狀分布。

圖5 室溫下成形過程中的等效應力分布Fig.5 Distribution of equivalent stress during subsidence deformation under room temperature

應力狀態能夠表示材料變形時內部承受應力的情況，材料受到的應力狀態不同，其內部產生的塑性變形失穩情況也不同。而應力狀態參數是用來反應材料受力時應力狀態的指針，可以描述材料的塑性變形規律和損傷情況［11-12］。常見的應力狀態參數有應力三軸度Rd、軟性系數α、羅的參數μ等［13］，其中應力三軸度Rd與應力狀態有較好的對應關系，被廣泛用于描述材料受力情況。應力三軸度Rd可表示為：

式中，σ1為第一主應力，σ2為第二主應力，σ3為第三主應力，σm為靜水應力，ˉ為等效應力。當Rd>0 時，材料內部以拉應力為主；當Rd<0時，材料內部以壓力為主；當Rd=0時，材料為純剪切應力狀態。

鈦合金型材單邊下陷變形過程中應力三軸度的分布情況見圖6，圖中Rd<0的壓應力區域和Rd>0的拉應力區域以下陷區域為中心對稱分布。變形初期，型材垂直下陷區的立面、L形拐角局部以及下陷區非下陷一側底面的應力三軸度Rd>0，呈拉應力狀態，其余部位的Rd<0，呈壓應力狀態。隨著下陷量的增大，應力三軸度Rd>0和Rd<0區域的面積逐漸增大，其中高應力三軸度Rd>0區分布于垂直下陷區的立面、下陷區非下陷一側的過渡圓角和底面；低應力三軸度Rd<0區分布于垂直下陷區非下陷一側的立面、下陷區下陷一側的過渡圓角和底面。兩個過渡圓角產生了不同的應力狀態，一個以拉應力主，另一個以壓應力為主，隨著變形量的增加，應力狀態的差別越加明顯。

圖6 下陷變形過程中的應力三軸度分布Fig.6 Distribution of stress triaxiality during the subsidence deformations

從上述應力三軸度的分布可以看出，型材下陷區域周圍是拉應力和壓應力共同作用區域，在拉應力狀態區域內，應力集中時型材表面的微裂紋、麻點、拉道等缺陷容易形成宏觀裂紋。

結合圖5中應力分布情況可以看出，型材下陷段的L形拐角處的應力值始終較高，由于該區域的應力三軸度在變形初期大于零，因此該區域產生的產生裂紋會沿著型材呈縱向擴展，這與圖4中裂紋擴展情況相符。

3.2 溫度對下陷加工的影響

從圖2可以看出，TC2 合金熱變形特征與其他金屬材料基本相同。隨著變形溫度的升高，TC2合金的屈服強度和抗拉強度迅速降低，600 ℃條件下的應力峰值僅為室溫下的一半，因此提高加工溫度有助于降低下陷過程中產生的應力集中程度，避免產生裂紋等加工缺陷。除此之外，采用熱下陷成形可有效降低彈性應變能，減少變形后的回彈量。為了研究鈦合金型材熱下陷后回彈變形規律，本文在室溫到500 ℃范圍內，對TC2 合金L 型材熱下陷卸載后的尺寸變化進行了模擬分析。

不同溫度下TC2合金型材下陷成形后尺寸變化趨勢見圖7，圖中下陷區附近的尺寸偏差較小，僅在-0.2～0.2 mm間波動（回彈變形量＜4.5%），溫度低于300 ℃時產生正偏差，而溫度高于300 ℃時產生負偏差。比較而言，型材兩端的尺寸偏差較大，在-0.5～0.4 mm間波動（回彈變形量＜11.2%），溫度＜100 ℃和＞300 ℃時產生負偏差，100 ～300 ℃間為正偏差。室溫下陷后型材內殘余應力較大，回彈導致零件發生明顯的翹曲變形，導致下陷區和型材端面的變形量差值最大，達到0.5 mm。隨著溫度升高，兩個位置之間的尺寸偏差逐漸減小。在300 ℃溫度下，成形后下陷區和端面之間的尺寸差值最小且回彈量接近于零。因此，將TC2等邊L型材加熱300 ℃后再進行下陷成形，有利于減少零件回彈變形引起的尺寸偏差。

圖7 不同溫度下陷變形后回彈量的分布趨勢Fig.7 Distribution trend of subsidence deformation under different temperatures

3.3 參數優化與驗證

以上L截面型材下陷過程顯示，下陷區、下陷區垂直的立邊、L形拐角三處應力值較高且均存在應力三軸度大于零的區域，在拉應力作用下容易產生沿型材縱向擴展的裂紋。為了降低下陷過程中應力集中程度，以下針對下陷區長度和過渡圓角半徑對下陷過程的影響開展進一步分析。圖8顯示了下陷深度4.5 mm，過渡圓角為7 mm，下陷溫度300 ℃條件下，不同下陷區長度對應力及殘余應力分布的影響。圖中隨著下陷區長度的增加，下陷區的應力集中程度下降明顯，具體表現為從整個下陷區的高應力逐漸轉變為僅在過渡圓角處存在高應力的變化趨勢。除此之外，該區域內殘余應力也有明顯降低。總體而言，下陷區垂直的立邊和L形拐角兩處的應力和殘余應力分布受下陷區長度的影響較小，高應力區域減小不明顯。根據下陷區最小化原則，最佳下陷段長度為21 mm。

圖8 不同下陷區長度條件下下陷成形中的應力和殘余應力分布Fig.8 Distribution of stress and residual stress during subsidence deformation at the different deformation lengths

下陷過程中過渡圓角半徑對型材應力分布的影響如圖9所示，隨著圓角半徑的增大，過渡圓角位置的高應力區面積逐漸減小，應力值逐漸降低。卸載后該區域的殘余應力值也有明顯降低。當過渡圓角半徑達到49 mm（下陷段長度限定的最大圓角半徑）時，下陷區的應力集中程度得到緩解，卸載后基本上不存在殘余應力。然而，過渡圓角半徑的變化對下陷區立邊的應力分布影響不大，隨著圓角半徑的增大，高應力區面積和應力值均無明顯變化。

圖9 不同過渡圓角半徑條件下下陷成形中的應力和殘余應力分布Fig.9 Distribution of stress and residual stress during subsidence deformation at the different interim fillet radius

基于以上分析，針對單邊下陷深度4.5 mm 的TC2合金等邊L 型材典型件，本文確定的最佳下陷區長度為21 mm，過渡圓角半徑為49 mm，加工溫度為300 ℃。采用最佳下陷工藝參數成形的TC2 合金等邊L 型材典型件如圖10所示，型材下陷區表面光滑過渡，無加工缺陷。

圖10 TC2合金L截面型材下陷成形典型件Fig.10 Typical subsidence deformation part for TC2 alloy profile with L section

4 結論

（1）在L 截面型材單邊下陷過程中，下陷區L 拐角處容易產生應力集中。變形前段該區域的應力三軸度Rd>0，呈拉應力狀態，因此微裂紋容易在應力集中處形核并沿型材縱向擴展。

（2）TC2 合金熱拉伸變形特征表明，熱下陷有利于減輕下陷變形過程中產生的應力集中程度，減少變形后的回彈量，但熱下陷后的型材受到熱應力的影響，容易產生翹曲，對零件的整體尺寸精度影響較大。

（3）下陷區長度和過渡圓角半徑對型材下陷區加工應力和殘余應力分布影響較大，隨著下陷區長度和過渡圓角半徑的增加，下陷區加工應力和殘余應力的峰值面積明顯減小。針對本文下陷深度4.5 mm 的TC2 合金L 截面型材，最佳工藝參數為成形溫度300 ℃，下陷段長度21 mm，過渡圓角半徑49 mm。