钛合金成形工艺助力航空航天

钛合金成形工艺助力航空航天

钛合金以其独特的物理化学性质，广泛应用于航空航天领域。然而，传统的成形工艺难以满足复杂形状零件的需求。近期，研究人员开发了一种新型的粘性介质压力成形工艺，利用这种工艺可以在室温下高效地成形出高质量的钛合金零件。这项技术不仅提高了成形效率，还降低了生产成本，有望在未来推动航空航天产业的发展。

钛合金具有密度低、强度高、屈强比大、耐高温以及耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、生物医学和石油化工等重要领域。特别是在航空航天领域，钛合金自20世纪50年代首次在飞机机身上应用以来，钛合金零件数量越来越多，结构也愈来愈复杂，钛合金用量已成为衡量飞机选材先进程度和航空工业发展水平的重要指标。

例如，某航空发动机制造公司采用钛合金制造整体叶轮，但整体叶轮叶片之间空间狭小，抛光要求很高。西钛珂公司通过先进的制造技术解决了这一难题。此外，钛合金还被用于制造飞机蒙皮、发动机波纹板等关键部件。

尽管钛合金具有诸多优点，但其成形工艺仍面临一些挑战。与传统金属材料相比，钛合金的伸长率低、变形抗力大，室温下钛合金板材的塑性变形能力较差，成形过程中容易发生过度减薄以及破裂等问题，很难成形出复杂形状的钣金零件。

为了提高钛合金的塑性变形能力，一般多采用一定温度条件下的热成形方法，并借助材料的高温软化效应，降低变形抗力、提高塑性变形能力。现有资料显示，在航空制造领域中80%以上的钛合金钣金零件是采用热成形制造的，但高温加热、高温模具、高温过程质量控制等也较大幅度地增加了零件的制造难度和生产成本。

粘性介质压力成形是近年来发展起来的一种软模成形工艺，选用半固态、可流动及具有一定速率敏感性的高粘度聚合物作为成形用凸模（或凹模）。现有研究结果表明，复杂形状薄壁零件粘性介质压力成形过程中，多采用刚性模具作为凹模、粘性介质作为凸模，在正向粘性介质压力条件下进行成形。

例如，高铁军等对复杂形状TA2钛合金半管件粘性介质压力成形进行了分析，并成形出满足条件的零件；汪凯旋等对底部中空方盒形件粘性介质压力成形进行了有限元分析，得到了坯料预制孔形状和尺寸对其流动及变形方式的影响规律。

然而，对于形状复杂的锥形、半球形、抛物线形等深腔类钣金件，采用反向压力的成形质量及效果一般要优于正向压力。因此，研究人员对不同反向粘性介质压力条件下的钛合金板材胀形性能进行了系统研究。

实验用钛合金牌号为TA1，该材料钛的含量较高，成形性能较为优异，主要用于非承力结构件，如飞机的内蒙皮、发动机波纹板等。实验用TA1钛合金板材的厚度为0.5mm，通过单向拉伸实验得到的真实应力-真实应变曲线显示，材料的屈服强度为350MPa、极限强度为500MPa、伸长率为20%。

研究人员采用有限元软件Ansys/Ls-Dyna对钛合金板材反向粘性介质压力胀形过程进行仿真分析。建模过程中考虑到胀形零件及模具结构的对称性，在不影响计算精度和质量的情况下，采用1/4模型辅以约束条件进行过程仿真。所建立的有限元分析模型中，粘性介质采用SOLID164实体单元，凸模、压边圈等采用SHELL163壳单元，为保证计算精度，所划分的网格尺寸均为1.0mm。同时分析过程中，对柱塞分别施加0、2、4、6和8MPa的5种反向粘性介质压力。

研究发现，钛合金板材在反向粘性介质压力作用下，变形主要集中在凸模中心与压边圈凹模口之间，并形成了一定的预反胀形效果。不同反向粘性介质压力条件下预反胀形试件高度分别为0.0、6.3、7.6、9.1和10.4mm，随着反向粘性介质压力的增大而增大；预反胀形试件的最大等效应力分别为0.0、369.9、381.8、391.2和398.3MPa，随着反向粘性介质压力的增大而增大，最大等效应力主要位于胀形凸模中心与预反胀形最高处之间的过渡区域。

此外，研究人员还发现，反向粘性介质压力能够减缓胀形试件壁厚的减薄，且随着反向粘性介质压力的增大，减缓效果有一定的提升。这一发现为提高钛合金板材的成形性能提供了新的思路。

粘性介质压力成形工艺的出现，为解决钛合金复杂形状零件成形难题提供了新的解决方案。与传统热成形工艺相比，该工艺不仅能够在室温下进行，避免了高温加热带来的成本和控制难题，还能有效提高成形性能，降低回弹，保护表面质量。随着研究的深入和技术的成熟，粘性介质压力成形工艺有望在航空航天领域得到更广泛的应用，推动航空航天产业的发展。