鈦合金環段電輔助拉深成形新工藝與變形缺陷修復的探索

由我會遴選推薦的“特種能場輔助制造的科學原理是什么？”入選中國科協2020年10個重大科學問題之一并在中國科協年會上發布。針對該問題的科學研究進展和工程應用情況我會將予以持續跟蹤和介紹。本文所介紹的即為上海交通大學模具cad國家工程研究中心李細鋒教授團隊在鈦合金環段電輔助拉深成形與變形缺陷修復等方面的研究進展。
鈦合金環段電輔助拉深成形新工藝
鈦合金具有強度高、耐高溫和耐腐蝕等優異的綜合性能，應用于輕量化、高溫和強腐蝕環境，通常被加工成各種特殊形狀零部件以滿足航空航天、醫療和化工等領域的需求。但在室溫下，鈦合金的塑性低、成形性差，在大塑性變形下會產生裂紋、嚴重回彈等缺陷，所以室溫下塑性成形效果不佳，難以滿足航空航天領域復雜構件控形控性的要求，因此，經常采用高溫成形方法制造鈦合金零件。但是高溫成形的周期長、工況復雜、能耗高，成形件晶粒粗大、表面氧化嚴重；并且，因為模具材料需滿足耐高溫和耐氧化等要求，會顯著增加了制造成本。既然高溫成形無法滿足節能環保、低成本的需求，研究者們自然將目光回歸特種塑性成形（后特指電致塑性成形），思考如何在成形過程中改善或者解決各種成形缺陷。
自從以conrad為代表的學者（1978年）開始研究包括鈦合金在內的多種金屬的電塑性以來，近60年的研究表明，給金屬通電流，一定程度上可修復缺陷，促進其再結晶，推動位錯和晶界運動，增強金屬塑性。在不同的電致塑性成形工藝基礎上，通過調節電流的大小、頻率、通電時間、波形等，發展出一系列不同的電輔助成形工藝，電輔助拉深成形就是其中的一種。
在無電輔助的情況下，冷成形方式制造的tc4 鈦合金環段截面不光順，起皺嚴重，無法滿足使用要求。上海交通大學李細鋒團隊通過數值模擬、模具設計和工藝驗證的方式，提出鈦合金環段脈沖電流輔助拉深成形工藝（圖1）。使用低壓大電流脈沖設備（12v/20000a）對450mm×275mm×1mm 的tc4鈦合金坯料加以1500a 的脈沖電流和1.5v 電壓，在1min 中內升溫到所需的600℃左右，6min 內完成鈦合金環段電輔助成形工序。對比tc4 鈦合金環段冷成形和電輔助拉深成形結果，電輔助成形環段截面光順，沒有明顯起皺，成形效率高。通過鈦合金環段尺寸精度的測量，可以看出電輔助成形的精度明顯提高，避免了起皺和回彈大等缺陷（圖2）。
圖1 tc4鈦合金環段電輔助拉深成形過程
圖2 鈦合金環段件成形精度測量
團隊還研究了脈沖電流對鈦合金預制缺陷和耐腐蝕性能的影響規律。
脈沖電流對鈦合金組織性能特征的影響
1.對預制缺陷的修復
將tc4薄板在常溫下預變形拉伸10% 后，內部存在均勻分布的亞微米級孔洞，孔洞所占體積分數約為2.21%。控制脈沖電壓40v和通電時間30s對預變形試樣分別進行不同頻率的通電處理。頻率為120hz時，孔洞數量開始減小，單個孔洞尺寸也有減小；頻率為140hz時，孔洞變化趨勢延續，并且程度顯著加劇，形狀趨于球形；當頻率繼續升高為160hz時，孔洞所占體積分數反而減少，且局部區域出現大尺寸孔洞，如圖3所示。
圖3 試樣預拉伸后經脈沖電流處理后的內部顯微孔洞分布（脈沖電壓40v，通電時間30s）
孔洞變小得以彌合，一般認為有兩種機制：一種是原子的擴散填充，脈沖電流促進原子填入孔洞中；另一種是熱壓合機制，孔洞區域電阻較大，焦耳熱較高，導致材料內部發生膨脹，但孔洞外側基體限制了孔洞向外的膨脹，故而孔洞向內膨脹，處于熱壓縮狀態。而孔洞在160hz電流下反而體積擴大、占比增加的現象，研究者認為是原子在到達孔洞表面前，就被較高頻率的電流轟擊導致離開。因此，為了彌合和減少孔洞，應當選取較佳的脈沖電流頻率，并非頻率越高越好。
2.對耐腐蝕性的影響
與對孔洞影響類似，脈沖電流頻率對退火態tc4鈦合金耐腐蝕性能的影響體現出單峰性。在200hz電流下，耐腐蝕性能較佳。究其原因，是溫度不同引起的。200hz時，較高溫度為457℃，退火態tc4中的少量亞穩相開始轉變，短時內使tc4的組織較加穩定。頻率增加到300hz時，溫度達到728℃，tc4開始發生靜態再結晶，由于溫度相對較低，結晶不充分，產生大量處于結晶預備期的亞晶粒和胞狀亞結構，這些亞穩態結構活性較高，較容易被腐蝕。頻率繼續增加到400hz，溫度升高至792℃時，觀察到鑲塊式的再結晶晶粒，受腐蝕較為嚴重。當頻率繼續升高到500hz時，溫度達到851℃，亞穩態組織較容易作為形核基體發生點蝕，因此tc4 的耐腐蝕性能急劇下降。
展望
在傳統成形工藝基礎上加脈沖電流外能場相復合，是對現有成形方法的補充與改善。研究表明，電輔助成形不同于傳統的熱成形工藝，在降低成形力、提高成形極限與精度等方面比傳統熱成形具有較佳效果。未來，成形技術研究方向將朝向多個能場耦合，例如將電場與電磁場復合，開展鋁合金材料的板管快速高效成形；將超聲場與電場復合，開展鋁合金或鎂合金的擴散連接成形，突破鋁合金或鎂合金氧化膜問題阻礙其擴散連接技術發展的瓶頸。合理利用多能場與材料相互作用的多種效應，突破高強難成形材料的制造難題，將較大地促進**制造技術的發展和應用。
江蘇貝思拉金屬制品有限公司專注于鈦棒,鈦板,鈦管等