钛合金超塑成形工艺方法研究

万丹，王先发，汪洋华，王丙杰，束飞

江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西南昌， 330024

摘要：针对钛合金板材在常温下弹性大、成形困难的问题，提出了一种利用钛合金在高温下具有超塑性的特征进行超塑成形的工艺方法。本文以TC4材料板材零件为研究对象，详细介绍了钛合金超塑成形（气胀成形）的具体工艺实施过程以及工艺参数的设置等，为超塑成形工艺的应用提供了指导规范。

关键词：钛合金板料；超塑成形；工艺流程；工艺参数

0 引言

钛合金具有抗疲劳、比强度高、耐腐蚀耐高温、一定的形状记忆性能、优越的力学性质、化学性质稳定等优点^[1]，随着航空航天技术的发展，钛合金在航空航天领域的应用范围不断扩展，钛合金结构件越来越呈现出大尺寸、薄壁曲面、变厚度和整体结构的趋势，进一步提高了航空航天飞行器的性能、结构刚性，减轻了重量，因此钛合金成形技术也成为航空航天制造技术的研究重点。

超塑成形技术是利用材料的超塑性来成形零件的一种工艺方法（在本文中超塑成形是指板材的气胀成形），它具有成形的零件结构设计自由度大、所需模具结构简单、所需成形设备吨位小投资少等特点，因此用超塑性气压胀形可以进行整体设计，减少工序和工装数量，降低工时和费用。

1 材料控制

按本文进行超塑成形工艺时，TC4钛合金板材的规格、化学成分、室温和高温机械性能及供货条件应符合GB/T 3621-2007的要求，Ti-6Al-4V钛合金板材的规格、化学成分、室温和高温机械性能及供货条件应符合AMS 4911的要求，且应有材料合格证。成形前应检查表面质量，不允许材料表面存在起皮、夹杂物及超过标准要求的划伤、压痕、裂纹等缺陷。运输和存放过程中应注意防止表面划伤。

超塑成形时需要用到辅助材料，主要包括清洗剂、保护涂料（包括润滑剂）等。常用的清洗剂包括丙酮、无水乙醇、金属清洗剂等，其主要作用是清除表面油污。保护涂料主要包括高温漆、氮化硼、胶体石墨、润滑剂等，其主要目的是在零件成形时起到润滑作用和加热时起到防止（减轻）材料表面氧化作用。所选辅助材料不应对钛合金零件产生有害影响，并符合相应的国家标准、行业标准或专用技术标准，若无相关标准的新型辅助材料，则采取试用可行的材料，辅助材料应有生产厂家质量保证单或合格证。

2 超塑成形设备

钛合金零件超塑成形在超塑成形机上进行，该设备由加温控制系统（采用的为热成形机HF-ZC300）与气源控制系统组成，加温控制系统主要设备参数有：最高温度900℃，温度控制精度±0.5%，温度均匀性≤5℃，合模力30T-50T；气源控制系统为连续调压装置，所用气源为氩气，通过钢瓶减压阀，将压力调整到所需工作压力大5MPa，按给定的压力曲线进行连续调压，实现工件的成形，有关的主要参数有：最大气压10MPa，最小气压控制0.1MPa，真空泵大小为30立方米。

3 超塑成形模具

超塑成形模具材料应有足够的高温持久强度、抗氧化性能以及热冲击性能，通常选用Cr25Ni20不锈钢材料或其他耐高温材料。模具结构应依据零件形状、成形方法、所用设备等因素考虑模具结构，如：与机床的连接形式、对合定位、模具型面位置、安放位置、电偶孔位置、毛料的定位、零件的卸取及吊挂等。模具应具有定位销、定位块、取件槽以及起吊装置等。因钛合金材料和超塑成形模具材料在加热条件下的热膨胀系数不同，钛合金超塑成形模具设计时应考虑其差异，并对模具型面进行修正。

4 钛合金超塑成形工艺流程及要求

4.1 超塑成形方法

钛合金超塑成形工艺流程如图1所示。

图1 钛合金超塑成形的工艺流程

4.2 下料

按照展开数据集采用水刀切割或激光切割对原材料进行毛料下料，毛料边缘均应去毛刺并倒圆棱角R0.2mm。

4.3 毛料表面清洗

毛料在喷涂保护涂料前应采用丙酮进行表面除油及清洗。

4.4 毛料的表面保护

经下料及表面清洗的板材在超塑成形前应使用保护涂料进行防氧化表面保护。保护涂料的选择及使用应满足以下要求：

4.4.1 在超塑成形时，为防止氧化，可先均匀喷涂一层高温保护涂料，待其自然晾干后（晾干后氮化硼呈现白色，石墨呈现黑色）才可进行超塑成形；

4.4.2 经喷涂保护涂料并晾干后的毛料需放置在洁净的牛皮纸上,拿取涂有保护涂料的毛料时应戴干净的棉线手套，毛料喷涂表面保护涂料后不能有任何划伤。

4.4.3 表面保护的检查标准：表面喷涂应均匀，喷涂层需覆盖材料底色；被喷涂表面无漏喷。

4.5 模具的安装

通过压板压紧模具上的压板槽，将上、下模分别固定在设备上，模具安装后连接热电偶及通气管路，启动气源系统检查通气管路是否连通。在升温前应用检查模具管路的密封性，在确保管路密封性良好的情况下开始升温工作。

4.6 模具喷涂保护涂料

超塑成形模具在升温之前（即冷模状态下），应对模具的工作元件（凸模、凹模）及导向元件（导板）喷涂高温保护涂料。

4.7 模具的升温

4.7.1 升温速率：模具升温速度宜小于80℃/h，升温过程中模具各测温点温度差应小于100℃，到成形温度点均温后温差不大于±10℃，升温过程中，每间隔30min记录1次模具温度。

4.7.2 氧化保护：加热升温过程中，模具平均温度达到300℃±50℃时，上下模腔中均应通入流动氩气，氩气流量随模具大小而定，最低不少于2L/min。

4.7.3 均温处理：当达到成形温度时，测温点温度温差大于±10℃时，应进行模具均温处理。

4.8 超塑成形零件

4.8.1 超塑成形操作时，开启设备进行升温，平台设置最大温度为900℃。模具升温至700℃后开启炉门，毛料放入模具（毛料放入模具时应特别注意定位准确），关闭炉门，预热一定时间（10分钟左右）后进行合模，合模后采用气源控制系统进行抽真空，待真空度达到小于0.01MPa后往上下模腔中通入流动氩气，使上下模腔中氩气保持在0.1MPa（若上模为非平面，则上模压力需大于下模压力），模具继续升温至850℃后加载成形压力曲线，加载完成后采用最大压力保压10分钟，保压结束后进行泄压。

4.8.2 超塑成形参数设置：

a)成形温度范围:800℃-930℃,成形温度根据TC4板材的应力在不同温度的分布，在研究中发现当温度到达800℃时，晶界滑移和分散蠕变开端变得显著，而在930℃塑性应变较大，屈服应力较小，合适的TC4板料的成形温度范围在800℃至930℃之间。考虑到所使用的超塑性成形加热设备达到最高的温度在900℃，因此超塑成形过程实际使用的工艺温度在850℃左右（±10℃）;

b)应变速率范围为5×10^-4/s-5×10^-8/s;

c)真空度小于0.01MPa;

d)保压时间10min。

4.8.3 超塑成形气压-时间曲线的设置，应采用有限元模拟计算(例如采用MARC软件），并进行试验验证。由于在实际生产中无法保证零件成形过程中每一点应变速率相同，只能通过吹胀气体压力的控制来实现气胀成形速度的控制，从而达到高效精细成形的目的。

4.8.4 过程记录：在超塑成形的全过程中，每间隔30分钟应记录1次模具温度，每间隔5分钟应记录1次气压，并保存此记录。

4.9 模具降温

超塑成形结束后，应将防氧化保护氩气降至0.12MPa～0.15MPa，停止加热，模具随炉冷却，当模具温度降至500℃～600℃以下时，方可取件。

4.10 取件

4.10.1 成形件取件时应确保成形零件不发生高温变形，针对不同尺寸、形状的成形件分别采取相应措施，确保成形零件的安全取出；

4.10.2 成形件取出时可以辅助采用氩气冷却使零件与模具脱模。

4.11 成形零件的切割

成形零件的切割可以采用水刀切割、电火花线切割、机械铣切及激光切割等方式。具体采用何种切割方式需要根据零件设计要求确定。成形零件的切割应充分考虑切割的定位及基准。水刀切割时还应充分考虑切割砂对零件表面质量的影响。

4.12 成形零件的清洗

为去除钛合金超塑成形保护涂料及成形过程中产生的氧化皮，超塑成形后必须进行清洗。清洗方式根据所使用的保护涂料不同采用相应的处理方式：采用氮化硼保护涂料超塑成形的零件后处理方法为在吹砂后进行酸洗处理；采用石墨超塑成形的零件后处理方法为先碱洗后吹砂，再进行酸洗处理。

5 质量控制

5.1 钛合金零件应按图样和技术文件的要求进行检验。

5.2 对加热温度和保持时间应进行记录。

5.3 钛合金毛料和零件的检查按图样要求可采用目视、超声波、荧光和X射线等方法进行检验。

6 结语

钛合金超塑成形主要应用在航天航空领域。在国外，钛合金超塑成形工艺已经用于BAel25行政机应急舱门的生产，使飞机减重10%，成本降低30%；用于ATP直升机检修门的生产，使其成本降低40%；用于F-15战斗机隔热板、发动机喷口、起落架舱门、后机身上部钛外壳的生产，使F-15战斗机减重72.6Kg；用于B-1轰炸机检修舱门、短舱框架的生产，使B-1减重31%；成本降低50%。我国开展钛合金超塑成形工艺的研究也有快20年的历史了，在国内，钛合金超塑成形已经应用于电瓶罩的生产，代替了不锈钢件，使电瓶罩减重47%，成本降低50%；应用于发动机维修口盖的生产，代替了铝合金铆接件，使发动机维护口盖减重20.5%，成本降低55%^[2]。因此，探索适用的钛合金超塑成形工艺方法，对于提升航空航天产品制造品质、降低制造成本有着重大意义。

参考文献

[1] 施晓琦.钛合金超塑成形_扩散连接组合工艺研究[D].南京航空航天大学，2007.

[2] 赵林博等.钛合金超塑成形工艺及应用.中北大学机电工程学院，2011.

作者简介：

万丹，女，1988年12月出生，2010年毕业于南京理工大学，大学本科，工程师，研究方向：航空钣金零件制造。