多曲率截面TC4钛合金超塑性胀形工艺_伍世天.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:伍世天,徐雪峰,范玉斌,等.多曲率截面 TC4 钛合金超塑性胀形工艺 J.塑性工程学报,2023,30(2):41-47.WU Shitian,XU Xuefeng,FAN Yubin,et al.Superplastic bulging process of TC4 titanium alloy with multi-curvatures section J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):41-47.基金项目:江西省重点研发计划(20182ABC28001)通信作者:徐雪峰,男,1983 年生,博士,教授,主要从事航空先进介质成形研究,E-mail:xfwinzy 第一作者:伍世天,男,1996 年生,硕士研究生,主要从事航空先进介质成形研究,E-mail:916662344 收稿日期:2022-05-19;修订日期:2022-10-11多曲率截面 TC4 钛合金超塑性胀形工艺伍世天1,徐雪峰1,范玉斌1,危立明1,王彦岐1,门向南2,赵 爽3(1.南昌航空大学 航空制造工程学院,江西 南昌 330063;2.航空工业成都飞机工业集团有限责任公司,四川 成都 610091;3.中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司,江西 南昌 330024)摘 要:为研究多曲率截面 TC4 钛合金超塑性胀形过程中成形气压加载速度对零件成形效果的影响,利用 MARC 有限元软件对 TC4 钛合金板材在应变速率为 210-3 s-1条件下进行了超塑性胀形模拟,获得了气压-时间加载曲线。基于该曲线设计了 3种不同成形气压加载速度曲线,并分别进行了超塑性胀形试验。试验结果表明,在 3 种不同成形气压加载速度条件下,气压加载速度越慢,零件成形效果越好。零件各个位置壁厚变化均匀且实际壁厚减薄趋势与模拟得到的壁厚减薄趋势大致相符,零件实际最大壁厚减薄率约为 25%,满足零件使用要求。成形后的零件各变形区域的晶粒形状变化不大且均为等轴晶粒,晶粒尺寸随着板材形变量的增大而减小。关键词:TC4 钛合金;MARC 有限元模拟;超塑性胀形中图分类号:TG146 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0041-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.005Superplastic bulging process of TC4 titanium alloy with multi-curvatures sectionWU Shi-tian1,XU Xue-feng1,FAN Yu-bin1,WEI Li-ming1,WANG Yan-qi1,MEN Xiang-nan2,ZHAO Shuang3(1.School of Aviation Manufacturing Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China;2.Chengdu Aircraft Industrial(Group)Co.,Ltd.,AVIC,Chengdu 610091,China;3.AVIC Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Company,Nanchang 330024,China)Abstract:To study the influence of forming pressure loading velocity on forming effects in superplastic bulging process of TC4 aluminum alloy with multi-curvatures section,the superplastic bulging simulation of TC4 aluminum alloy sheet with the strain rate of 210-3 s-1 was carried out using MARC finite element software,and the pressure-time loading curve was obtained.Based on the curve,three different forming pressure loading velocity curves were designed and superplastic bulging tests were performed,respectively.The test results show that under the conditions of three different forming pressure loading velocities,the slower the pressure loading velocity is,the better the forming effect of the parts is.The wall thickness variation in each position of the part is uniform and the actural wall thickness reduction trend is consistent with the wall thickness reduction trend obtained by simulation,the actural maximum wall thickness reduction rate is a-bout 25%,which meets the parts operating requirement.The change of grain shape in each zone of the formed parts is not distinct and the grains are equiaxed,and the grain size decreases with the increase of the sheet deformation amount.Key words:TC4 titanium alloy;MARC finite element simulation;superplastic bulging 引言钛合金是一种重要的新型结构材料,具有高强度、高熔点、良好的腐蚀性、低温性能好以及可塑性好等特点,被广泛应用于航空、航天、化工、汽车、造船和轨道交通等工业领域1-2。但是钛合金的耐磨性差,生产工艺复杂且价格昂贵,严重限制了其应用范围,目前国内对钛合金的应用研究尚不成熟。而超塑性成形工艺能够明显提高材料的塑性,减小金属的流变应力,提高加工精度3-6。刘运祯等7运用 ABAQUS 有限元软件模拟了高尔夫球杆头本体部分在钛合金最佳超塑性条件下的气胀成形过程,得到了高尔夫球杆头本体部分在超塑性条件下成形的压力-时间曲线。王荣华等8采用了气压胀形的方法对 TC4 钛合金某一特殊盒形结构件进行了超塑性成形。得出了在有限元模拟的基础上,成形温度为 850、最大进气压力为 1.5 MPa 时,成形时间为 40 min。超塑成形后的最佳取件温度为500。张顺等9研究了 TC4 合金层板结构的超塑性成形过程并利用 MARC 有限元软件进行了超塑性成形模拟。左永基等10在温度为 900、压力为 2.5 MPa 的条件下对 TC4 钛合金板材进行了超塑性气胀成形试验并得到了高温循环件和超塑性成形件。王耀奇等11在温度为 600 800、应变速率为0.010.33 s-1条件下对 Ti-6Al-4V 钛合金进行了高温单向拉伸试验,得出了 Ti-6Al-4V 钛合金在拉伸变形过程中会呈现出稳态形与软化形两种形态特征。并且温度和应变速率对伸长率有着重要的影响,在一定范围内,温度越高,应变速率越低,伸长率也就越大。王雁飞等12对 4 mm 厚的 5083-H111 铝合金板材进行了超塑性成形模拟,并通过实际试验得到了贴模性好、成形精度高、最大减薄率为22%且壁厚分布均匀的成形零件。陈楠楠等13利用 MARC 有限元软件模拟了不同氢质量分数的 Ti-55 钛合金板材超塑性气胀成形过程,得出了在相同的成形时间条件下,胀形压力越大,胀形高度越高且未置氢的 Ti-55 钛合金板材随着胀形压力的增大,胀形高度呈线性增长。本文利用 MARC 有限元软件对 TC4 钛合金板材进行了超塑性胀形模拟,导出了压力-时间加载曲线用于指导试验,基于该曲线进行了 3 种不同成形气压加载速度的超塑性胀形试验,得到了 3 种不同成形气压加载速度条件下的成形零件,测量了成形较好的零件最大变形区域的壁厚并与模拟结果进行了对比,并借助金相显微镜观察了成形较好的零件的不同成形区域的显微组织。1 试验材料及模具本试验所用 TC4 钛合金为细晶轧制板材,其合金晶粒尺寸为 25 m,名义成分如下:Al 5.5%6.5%、V 3.4%4.5%、Fe0.25%、C0.08%、O0.13%、N0.05%、H0.012%,Ti 余量。其性能参数如表 1 所示。超塑性成形模具在上模中心位置开了一个直径为 20 mm 的小圆孔以便充气,凹模作为下模,以便胀形成形,模具采用 310S 不锈钢,模具工作面的粗糙度为 1.6。根据零件特点可将零件压边圈设计为平面,在合模结束后,零件边缘和压边圈形成一定的高度,这样能保证零件在成形过程中的气密性良好,超塑性胀形成形模具如图1 所示。表 1 TC4 钛合金材料性能参数Tab.1 Materials property parameters of TC4 titanium alloy参数值熔点/16041660硬度/HV300400杨氏模量 E/GPa110140屈服强度 ReL/MPa8001100抗拉强度 Rm/MPa9001200断裂韧性 KC/(MPam-1/2)331102 超塑性胀形模拟2.1 流动应力模型对于材料的超塑性成形,由于材料对应变速率敏感且成形回弹量小14,因此本文采用刚塑性模型对 TC4 钛合金超塑性状态下应力与应变速率之间的关系进行描述。=Km(1)式中:为流动应力;K 为与材料相关的常数;m为应变速率敏感性指数;为应变速率。通过前期的拉伸试验和数据处理可得 TC4 钛合金在 850 超塑性成形时 K=767,m=0.532。2.2 有限元计算模型材料应变速率取为 210-3 s-1,通过三维建模软24塑性工程学报第 30 卷图 1 实体模具尺寸(a)上模(b)下模Fig.1 Dimension of solid dies(a)Upper die(b)Lower die件 CATIA 创建模拟所用的超塑性胀形模型。将创建好的几何模型导入 MARC 有限元软件中,将上模和下模设置为刚体,板料设置为变形体。其中将变形体的有限元模型划分为 5978 个节点和 5834 个单元,板材厚度为 1 mm。建立完成后的有限元模型如图 2所示。图 2 超塑性胀形有限元模型Fig.2 Finite element model of superplastic bulging设置边界条件为位移约束和单元面分布力,方法选择超塑性成形控制。毛坯板材的几何特性为三维薄膜,毛坯板材的材料特性设置为标准,类型选择为塑性,使用 Mises 屈服准则,方法为幂律流动应力模型。模具和毛坯的接触关系为变形体与刚体,摩擦因数设置为 0.2。2.3 模拟结果及分析模拟计算所用时间为 1110 s,胀形所需要的最大气压为 1.8 MPa,图 3 为 MARC 有限元软件导出的气压-时间加载曲线。图 4 为 TC4 钛合金板材在该模拟条件下成形件壁厚分布云图