近(jin)年来，我国高(gao)新技术领域迅(xun)猛发展，航空(kong)航天(tian)、海(hai)洋工(gong)程(cheng)、石(shi)油化(hua)工及(ji)武器装备等(deng)高端领(ling)域(yu)结构(gou)件正向轻(qing)量(liang)化、高强(qiang)化(hua)、高(gao)可靠性(xing)和耐久(jiu)性(xing)等(deng)极(ji)端服役性能(neng)发展，钛(tai)合(he)金因其比强度高、耐蚀(shi)性(xing)好(hao)、耐(nai)高(gao)温(wen)、抗(kang)疲(pi)劳等优(you)异(yi)性能(neng)，成为高(gao)端装(zhuang)备的(de)优(you)选(xuan)结构(gou)材料(liao)。高端装备通(tong)常由形(xing)状、尺寸(cun)各(ge)异的若(ruo)干个(ge)零(ling)部件(jian)构成(cheng)，这些零部件的尺寸(cun)精(jing)度及性能(neng)直(zhi)接(jie)影响(xiang)装备整体的可(ke)靠(kao)性(xing)及安全(quan)性［1 － 6］，这(zhe)就(jiu)对(dui)零(ling)部(bu)件的成形(xing)技术(shu)及(ji)尺寸精(jing)度提(ti)出了(le)更高的(de)要(yao)求(qiu)。
钛(tai)合(he)金属于(yu)难(nan)变(bian)形合金(jin)，成(cheng)形加工困难(nan)，特(te)别是(shi) α-Ti 的(de)晶(jing)体结(jie)构为密排(pai)六方(fang)结(jie)构(gou)，具有较(jiao)大(da)的致(zhi)密(mi)度和配(pei)位数，晶胞中(zhong)的(de)原子排列紧密(mi)，滑移(yi)系少，滑移(yi)过程的空(kong)间(jian)位(wei)向(xiang)少，位错运(yun)动的阻(zu)力较大(da)［7］，塑性(xing)差，成(cheng)形过程中的(de)抗力(li)较(jiao)大(da)，故(gu)成形(xing)尺(chi)寸(cun)精(jing)度(du)不(bu)高。此外，钛合金热(re)熔(rong)小、导热(re)性差(cha)，也导(dao)致其(qi)热(re)加工窗(chuang)口狭(xia)窄(zhai)。因(yin)此，为(wei)了(le)制(zhi)备(bei)满足高端装(zhuang)备(bei)要
求(qiu)的(de)各(ge)种(zhong)形状的钛合(he)金(jin)产品，就必(bi)须选择(ze)与(yu)钛合(he)金加工(gong)特性相(xiang)适(shi)应(ying)的冷、热成形加(jia)工(gong)技术。
西(xi)北有色金(jin)属(shu)研(yan)究院(yuan)钛合(he)金研(yan)究(jiu)所(suo)长(zhang)期(qi)致(zhi)力(li)于钛(tai)合金(jin)材(cai)料(liao)及(ji)相(xiang)关加工技(ji)术(shu)研究，开发(fa)出了(le)一系(xi)列适(shi)合(he)不(bu)同(tong)形状(zhuang)、规格的(de)钛(tai)合(he)金(jin)零(ling)部(bu)件产(chan)品加工技术。
本(ben)文(wen)主要介绍冷(leng)冲压成形(xing)技术、超塑(su)成(cheng)形(xing)技(ji)术(shu)、旋压(ya)成(cheng)形技(ji)术、热(re)推制成形(xing)技术、热(re)模锻(duan)成形技(ji)术的特点(dian)及(ji)其在(zai)钛合金成(cheng)形(xing)中的(de)应(ying)用，以(yi)期为推(tui)动(dong)我(wo)国(guo)钛(tai)合金(jin)成形(xing)技(ji)术(shu)的进(jin)步提供参考(kao)。
1、冷冲(chong)压成形技术
冷冲压成(cheng)形(xing)是在常温(wen)下利(li)用(yong)冲压(ya)设(she)备(bei)和模(mo)具(ju)，使(shi)各种(zhong)不同(tong)规(gui)格的板料(liao)在(zai)压力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)变(bian)形成(cheng)所需形状的一(yi)种加工(gong)工艺(yi)。材料(liao)的(de)冷(leng)冲压成(cheng)形性(xing)与(yu)材料(liao)特性(xing)有(you)关(guan)，一(yi)般要(yao)求(qiu)材料(liao)具有(you)良好的机(ji)械(xie)性能(neng)、较(jiao)大的变形(xing)能力以及(ji)理想(xiang)的(de)金(jin)相组织，其中(zhong)，机械(xie)性能包含(han)了材(cai)料的屈服(fu)强度(du)、抗拉强度(du)、延(yan)伸率、硬度、塑性(xing)应变(bian)比(bi) r 等(deng)参(can)数(shu)。
较高(gao)的(de)屈服强度和抗(kang)拉强度(du)会使(shi)材料(liao)的(de)冲压(ya)成(cheng)形抗力增(zeng)加，成形难度增大(da)，模(mo)具(ju)寿(shou)命降低(di)。此外(wai)，高的屈(qu)服(fu)强度(du)还会(hui)使零件成(cheng)形(xing)结束(shu)脱模后(hou)的回(hui)弹(dan)增(zeng)大(da)，尺寸精(jing)度降(jiang)低(di)，而高延伸率(lv)材料的(de)成(cheng)形(xing)极(ji)限(xian)较(jiao)大(da)，有(you)利(li)于(yu)冲压成(cheng)形(xing)。一般(ban)金(jin)属(shu)材(cai)料的冷冲压(ya)成形(xing)需要(yao)分(fen)多次才(cai)能(neng)达(da)到最终(zhong)的(de)产(chan)品形(xing)状(zhuang)，加(jia)工过程(cheng)中(zhong)会出(chu)现(xian)硬(ying)化现(xian)象(xiang)。这(zhe)种现象(xiang)源于材料在(zai)承(cheng)受一(yi)定(ding)塑(su)性(xing)变形后(hou)继(ji)续(xu)施加载(zai)荷(he)使(shi)变(bian)形(xing)抗(kang)力增加以(yi)对(dui)抗塑性(xing)变形的再(zai)产生，较(jiao)高(gao)的加工硬化系(xi)数(shu)意味(wei)着材(cai)料继(ji)续加(jia)工(gong)会(hui)抑制局部(bu)变形，并(bing)造(zao)成硬化，导致塑性降(jiang)低而(er)不(bu)易加(jia)工(gong)。但较(jiao)低(di)加工硬化(hua)系(xi)数的材料(liao)在继续(xu)加(jia)工时会(hui)引起(qi)局(ju)部(bu)变(bian)形增(zeng)大(da)而(er)导致(zhi)薄弱区域开裂，因此拉(la)伸成(cheng)形需(xu)要(yao)材(cai)料具(ju)有合(he)适的加工(gong)硬(ying)化系(xi)数(shu) n。
材料的(de)塑(su)性(xing)应变比(bi) r 是表(biao)征(zheng)材料各(ge)项(xiang)异(yi)性的参(can)数(shu)，主(zhu)要(yao)影响(xiang)拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)，较(jiao)高(gao)的(de) r 值说(shuo)明材料的(de)各(ge)向(xiang)异(yi)性(xing)不明显(xian)。综(zong)上，良好(hao)的冲压成(cheng)形(xing)性(xing)对材料的(de)性(xing)能要求是(shi)具有(you)低的屈(qu)强(qiang)比、高的延伸(shen)率(lv)、适(shi)当的加工硬(ying)化(hua)系(xi)数 n 和较高(gao)的塑性应变比 r。
表 1 列(lie)出(chu)了几种(zhong)金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)与(yu)拉伸(shen)成形(xing)性(xing)能相关的(de)参数［8～ 10］。由(you)表 1 可(ke)以(yi)看(kan)出，钛的(de)拉伸(shen)成(cheng)形性能(neng)较(jiao)其(qi)他(ta)金(jin)属差(cha)，因(yin)此其(qi)冷(leng)加工成(cheng)形(xing)更(geng)加困(kun)难(nan)。
钛合(he)金(jin)板材(cai)在室(shi)温(wen)下的可成形(xing)性(xing)十(shi)分有(you)限，其室(shi)温力学(xue)性(xing)能(neng)和(he)微观组(zu)织表(biao)现出的流(liu)线(xian)都具(ju)有(you)明(ming)显的各向异性(xing)，成形过程(cheng)中(zhong)容(rong)易(yi)产(chan)生(sheng)缺(que)陷［11］。因此，冷(leng)成(cheng)形技术(shu)仅(jin)适合(he)于(yu)钛合(he)金(jin)薄板(ban)的加工。自(zi) 20 世纪(ji)90 年(nian)代，西北(bei)有色(se)金属(shu)研(yan)究院钛(tai)合(he)金研(yan)究(jiu)所针(zhen)对用(yong)户需(xu)求(qiu)开(kai)展(zhan)了(le)钛金(jin)属隔膜成(cheng)形(xing)技(ji)术研究，并根据钛合金材(cai)料(liao)的性(xing)能特点(dian)设(she)计开(kai)发(fa)出(chu)了一(yi)种适合(he)深拉成形的(de) 高(gao) 塑(su) 性(xing)、低 屈(qu) 服 强(qiang) 度(du) 的(de) 隔 膜 专(zhuan) 用 钛(tai) 合 金(jin) 板(ban)材(cai)［12］。针(zhen)对钛(tai)合(he)金屈(qu)强(qiang)比高、材(cai)料回(hui)弹大的特(te)点(dian)，研(yan)究(jiu)人员通过(guo)模(mo)具设(she)计(ji)及(ji)成形(xing)工(gong)艺参(can)数(shu)的(de)优(you)化(hua)开(kai)发(fa)出了(le)低(di)速(su)率拉(la)伸(shen)成(cheng)形(xing)工(gong)艺、分(fen)步多次成(cheng)形(xing)技(ji)术(shu)以及(ji)机加(jia)工与冲(chong)压(ya)相(xiang)结(jie)合(he)成(cheng)形(xing)技(ji)术［13 － 15］，成功制(zhi)备出了(le)规(gui)格在(zai) 180 mL ～ 70 L 范围内(nei)的十(shi)几种(zhong)高精度变(bian)壁(bi)厚钛(tai)翻(fan)转隔(ge)膜(mo)、Ti-15-3 合(he)金(jin)球形(xing)高压(ya)气瓶［16］、箔(bo)材三(san)维空(kong)间结(jie)构(gou)翅(chi)片(pian)等产品(pin)，有效(xiao)避(bi)免(mian)了回(hui)弹造成(cheng)的(de)尺寸(cun)
精(jing)度差、材(cai)料(liao)各向异性导致(zhi)的(de)周向(xiang)变形不均及(ji)参数控制不当(dang)造(zao)成的(de)制(zhi)耳(er)、起(qi)皱(zhou)、开裂(lie)等现(xian)象(xiang)，满足了(le)国(guo)防重(zhong)点工程亟(ji)需(xu)。图 1 为(wei)西北有(you)色金属(shu)研(yan)究院钛(tai)合(he)金研究(jiu)所采(cai)用冷(leng)冲压(ya)成形技(ji)术(shu)制(zhi)备(bei)的(de)钛合金(jin)产品。
2、超(chao)塑成(cheng)形技(ji)术(shu)
2. 1超(chao)塑(su)成形(xing)技(ji)术(shu)的(de)特点
超塑成形(xing)是(shi)利(li)用金属(shu)材(cai)料(liao)在(zai)一定温度(du)及(ji)应变(bian)速率下所呈(cheng)现的(de)超(chao)塑性(xing)( 具有(you)超塑性(xing)的(de)材料(liao)能伸长(zhang)若干倍而不(bu)出现缩颈(jing)和(he)断(duan)裂) ，将(jiang)坯料(liao)加工(gong)成所需(xu)尺(chi)寸(cun)和形状的工艺。通(tong)常，超(chao)塑(su)成(cheng)形(xing)是在密封条(tiao)件(jian)下(xia)，通(tong)过向(xiang)钛(tai)合金板材(cai)一侧或两侧(ce)施加气体成(cheng)形压(ya)力，依(yi)靠板材(cai) 的(de) 减(jian) 薄(bao) 获 得 与 模(mo) 具(ju) 型 腔(qiang) 相(xiang) 近 的(de) 结 构(gou) 件 外形［17］。超(chao)塑(su)成形工(gong)艺具有成(cheng)形(xing)性好(hao)、变形(xing)量大(da)、尺(chi)寸精(jing)度(du)高(gao)、表(biao)面(mian)质(zhi)量好、无残(can)余(yu)应(ying)力、减(jian)少零件(jian)加工(gong)数(shu)量(liang)等优(you)点，不易出(chu)现(xian)板(ban)材(cai)在传统成(cheng)形(xing)过(guo)程中(zhong)出(chu)现的(de)回(hui)弹、破(po)裂等现象［18］，在减轻(qing)飞(fei)行器(qi)结(jie)构重(zhong)量(liang)、降(jiang)低生产(chan)成本方面显(xian)示(shi)出(chu)极(ji)大(da)的(de)优越(yue)性(xing)。
2. 2超塑性分类及成形条(tiao)件
根据实(shi)现(xian)超(chao)塑性(xing)的(de)条(tiao)件，超塑性主(zhu)要(yao)分(fen)为(wei)相变(bian)超(chao)塑性(xing)和(he)组(zu)织(zhi)超(chao)塑性(xing)。相(xiang)变超塑性(xing)又(you)称(cheng)为(wei)动(dong)态超塑性或环境超(chao)塑(su)性(xing)，是(shi)指材料(liao)在(zai)一定温度(du)和外(wai)加(jia)载荷(he)条件(jian)下(xia)，经(jing)多(duo)次(ci)循环(huan)相变或(huo)同(tong)素(su)异构转变(bian)获得大的(de)延(yan)伸率。而(er)本文所(suo)涉(she)及的(de)超塑成(cheng)形(xing)主(zhu)要为组织(zhi)超塑(su)性。
实(shi)现(xian)组(zu)织(zhi)超塑(su)性(xing)一(yi)般需要满(man)足组织(zhi)条(tiao)件、应变(bian)速率条件(jian)和(he)温(wen)度条(tiao)件。( 1) 组(zu)织条件(jian):组(zu)织细(xi)化(hua)，即要(yao)求(qiu)细微(wei)晶粒，尺寸(cun)一般小于(yu) 10 μm。晶粒(li)等轴化有利于在切应(ying)力作用下(xia)产生(sheng)晶(jing)界滑(hua)移(yi)或(huo)转动。大(da)角(jiao)度(du)晶界在(zai)切应(ying)力作(zuo)用下(xia)很(hen)容易发生晶界(jie)滑动(dong)，因此(ci)基体晶(jing)界(jie)应(ying)为大(da)角(jiao)度(du)晶界。晶(jing)界(jie)迁移可以使应(ying)力集中(zhong)松弛，有(you)利(li)于(yu)维持变(bian)形(xing)中(zhong)晶粒的等轴性。超(chao)塑性(xing)合金(jin)中(zhong)最好有(you)第(di)二(er)相存(cun)在(zai)，这样有利于(yu)在(zai)变形(xing)过程(cheng)中抑(yi)制基(ji)体晶(jing)粒(li)的长大，但(dan)第(di)二(er)相的(de)强度和(he)硬度(du)应当(dang)与(yu)基体(ti)材料处(chu)于同(tong)一(yi)量级，以避(bi)免变形过程中两(liang)相界(jie)面(mian)产生(sheng)空(kong)洞而过(guo)早断裂(lie)。( 2) 应变(bian)速(su)率条件(jian):不(bu)同(tong)的(de)材(cai)料(liao)有(you)不(bu)同(tong)的(de)应变速率(lv) ε 与应变速(su)率(lv)敏(min)感(gan)性(xing)指(zhi)数 m、流动应(ying)力(li) σ 的关(guan)系曲线(xian)，需要选择最佳(jia)应(ying)变(bian)速率，一般(ban)在 10－ 4～ 10－ 2 s－ 1 范(fan)围(wei)内，远低于(yu)常(chang)规
变形，一定程(cheng)度上(shang)使超塑(su)成形(xing)的生产效率(lv)和(he)应用受到(dao)限(xian)制。( 3) 温度(du)条件(jian):一(yi)般(ban)要(yao)求(qiu)成(cheng)形温度不小于(yu)0. 5Tm( Tm为材(cai)料(liao)熔点) 。
除(chu)以(yi)上(shang) 2 种超(chao)塑(su)性(xing)外，金(jin)属(shu)材料(liao)在(zai)再结(jie)晶或组织转变时，显(xian)微(wei)组织在不稳定(ding)的状态下会(hui)生成(cheng)等(deng)轴超细晶(jing)，此时在短时(shi)间内(nei)快(kuai)速(su)施加(jia)外(wai)力，也(ye)会(hui)表(biao)现(xian)出(chu)超(chao)塑性。有(you)些(xie)材料在退火状(zhuang)态(tai)下(xia)产(chan)生(sheng)超(chao)塑(su)性(xing)，有(you)些材料在(zai)大电(dian)流作(zuo)用(yong)下产(chan)生超(chao)塑(su)性(xing)［19］。
2. 3超塑成(cheng)形技(ji)术发展及应用(yong)
从 20 世纪(ji) 60 年代开(kai)始，受高(gao)性(xing)能战斗(dou)机需求推动(dong)，国(guo)外(wai)航空工业率先开展超(chao)塑(su)成(cheng)形技(ji)术(shu)研究，超塑性(xing)及其(qi)应(ying)用研(yan)究也(ye)进入了(le)快速(su)发展(zhan)时期。70 年(nian)代早期，美(mei)国 Ｒockwell 公(gong)司利用(yong)超(chao)塑成形(xing)技术(shu)制造了形(xing)状(zhuang)复(fu)杂(za)的 F-15 战斗(dou)机(ji)钛合(he)金(jin)整(zheng)体骨架(jia)结构(gou)，使钛合金(jin)制造工(gong)艺发生(sheng)了(le)技术变(bian)革(ge)。随(sui)后(hou)，美(mei)国(guo)的(de)BLATS 计划(hua)将(jiang)钛合(he)金超(chao)塑成(cheng)形(xing)/扩散(san)连接(jie)( SPF/DB)
组合技(ji)术列(lie)为(wei)重点研究(jiu)项(xiang)目(mu)，制(zhi)造(zao)了 B-1B 战(zhan)略(lve)轰(hong)炸(zha)机(ji)的短舱(cang)框(kuang)架(jia)、辅(fu)助动力(li)舱(cang)门(men)等重(zhong)要构件(jian)，不仅大(da)幅(fu)降低(di)了(le)成本(ben)，还(hai)显著提(ti)高(gao)了成形(xing)效(xiao)率。随后(hou)研(yan)究(jiu)人(ren)员开(kai)发(fa)了(le)超塑(su)性锻造(zao)技术，该(gai)技(ji)术(shu)相(xiang)比(bi)用 SPF/DB技术零件数量更(geng)少，主(zhu)要(yao)用于国(guo)防工(gong)业。民用方面(mian)，采用(yong)等温(wen)锻(duan)造(zao)技(ji)术(shu)制(zhi)成了(le)人造心(xin)脏瓣(ban)膜(mo)、人工髋关节、高尔(er)夫(fu)棒等精密(mi)零件(jian)。
西北(bei)有(you)色金(jin)属研(yan)究(jiu)院(yuan)钛(tai)合金(jin)研(yan)究所自(zi) 20 世(shi)纪(ji) 80年(nian)代开(kai)始进(jin)行钛(tai)合(he)金(jin)超(chao)塑(su)成(cheng)形(xing)技(ji)术(shu)的(de)探(tan)索研(yan)究，并(bing)制(zhi)备(bei)出(chu)用(yong)于制造(zao)飞(fei)行(xing)数据(ju)记录(lu)仪(yi)( 黑(hei)匣子) 的 Ti-451合(he)金超(chao)塑成(cheng)形壳(ke)体( 图 2a)
［20］，产品(pin)通过(guo)了飞机适航条(tiao)款(kuan)所(suo)规定的高(gao)强(qiang)度(du)冲(chong)击(ji)、高(gao)温(wen)烧蚀(shi)等严格(ge)测(ce)试(shi)。
此外(wai)，还(hai)利用厚壁管坯吹(chui)胀成(cheng)形(xing)工艺制(zhi)备出整(zheng)体无(wu)焊(han)缝型 TC4 钛合(he)金(jin)高压(ya)气瓶( 图(tu) 2b) 。
进入(ru) 21 世(shi)纪，西(xi)北有色金属研究(jiu)院(yuan)钛(tai)合金(jin)研究(jiu)所又承(cheng)担了(le)多项(xiang)超(chao)塑成(cheng)形(xing)钛合金的研(yan)究(jiu)项(xiang)目(mu)，合金(jin)种类(lei)包括(kuo) TC4、SP700 和 TA15 等，先后(hou)研(yan)制出(chu)了满足(zu)性(xing)能(neng)指标要(yao)求(qiu)的(de)超(chao)细晶(jing) TA15 和(he) SP700 钛合(he)金板(ban)材，其晶 粒(li) 尺(chi) 寸 小(xiao) 于(yu) 3 μm，超(chao) 塑(su) 性 延(yan) 伸 率 大 于(yu)2000% ，并(bing)采用超(chao)塑成形/扩散(san)连(lian)接技术(shu)制备(bei)出(chu)了(le)航(hang)空(kong)用(yong)相关产(chan)品［21 － 25］。图(tu) 3 为(wei) SP700 钛合(he)金的(de)超(chao)细晶组(zu)织、超(chao)塑(su)拉伸(shen)试(shi)样(yang)及产品外(wai)观(guan)。
3、旋(xuan)压(ya)成形(xing)技(ji)术
旋压(ya)成形(xing)是(shi)一(yi)项传统成形(xing)工艺(yi)，该工艺具有(you)变(bian)形力小、节(jie)约(yue)原材(cai)料等特(te)点(dian)。近(jin)年(nian)来(lai)，随(sui)着机电一(yi)体(ti)化(hua)控制、高精(jing)度(du)实时(shi)测(ce)量(liang)及大数据人(ren)工(gong)智(zhi)能技(ji)术的(de)引(yin)入(ru)，旋(xuan)压成(cheng)形技术(shu)与(yu)装备得到了(le)长(zhang)足的(de)发展(zhan)，并(bing)已(yi)经(jing)成为金属压(ya)力(li)加工的(de)重(zhong)要(yao)方法(fa)。目前旋压装备(bei)正(zheng)向着系列(lie)化和标(biao)准(zhun)化(hua)方(fang)向发(fa)展(zhan)。在许多(duo)工(gong)业(ye)发达国家(jia)，旋(xuan)压设备的(de)标(biao)准化程(cheng)度(du)很(hen)高，旋(xuan)压成(cheng)形工(gong)艺稳定(ding)，产(chan)品(pin)多(duo)种多(duo)样，应(ying)用(yong)范(fan)围(wei)日益(yi)广(guang)泛(fan)。
圆筒(tong)形件(jian)的强(qiang)力(li)旋(xuan)压(ya)变形过(guo)程(cheng)中(zhong)，始终遵(zun)循着体积(ji)不(bu)变(bian)的(de)原(yuan)则(ze)，工(gong)件(jian)形(xing)状(zhuang)的(de)改变(bian)包括旋(xuan)压前后(hou)圆筒壁厚减薄(bao)、直(zhi)径变小(xiao)、长度增(zeng)加等，同时(shi)产(chan)品(pin)内径也会(hui)因(yin)工(gong)艺参(can)数的不同(tong)而改变(bian)。最终(zhong)产品要素为(wei)圆筒内(nei)外(wai)径(jing)、壁(bi)厚(hou)、长度、直(zhi)线(xian)度(du)、圆(yuan)度(du)等(deng)，产(chan)品长(zhang)度可用(yong)式(shi)( 1) 计算(suan)［26］。
式中: L1 为工件长度;L0 为(wei)毛(mao)坯长(zhang)度(du);S0 为(wei)毛坯厚度; S1 为工件厚度(du); d1 为工(gong)件内径。
由于(yu)钛合(he)金(jin)的冷旋压(ya)变(bian)形(xing)能(neng)力较(jiao)低，尤(you)其(qi)是(shi)高强钛合金，在旋(xuan)压加(jia)工(gong)过程(cheng)中(zhong)需(xu)要对(dui)加(jia)工(gong)部(bu)位(wei)进(jin)行(xing)局部(bu)加热( 加(jia)热方(fang)式(shi)包(bao)括(kuo)火(huo)焰(yan)加(jia)热和感应(ying)加(jia)热(re)) 。20世纪 80 年代(dai)，西(xi)北(bei)有色金属(shu)研(yan)究院(yuan)钛(tai)合(he)金研究所(suo)采用(yong)局(ju)部加热强(qiang)力旋(xuan)压工艺(yi)制备(bei)出圆柱形(xing) Ti-451 合金(jin)罐体［27］，如(ru)图 4 所示。该罐体规格为 φ130 mm ×1. 2 mm × 160 mm，爆破(po)压(ya)力(li)达到 16 MPa，通(tong)过(guo)了(le)极(ji)限爆(bao)破压(ya)力(li)和耐久性能(neng)考核。
应用(yong)户需求(qiu)，西(xi)北(bei)有(you)色(se)金(jin)属研(yan)究(jiu)院钛合(he)金(jin)研究所(suo)开(kai)展(zhan)了(le)钛(tai)合金(jin)波纹(wen)管的研(yan)制(zhi)。采(cai)用滚(gun)珠(zhu)旋(xuan)压(ya)加(jia)工技术制(zhi)备(bei)出(chu)极薄(bao)壁 CT20 钛合(he)金(jin)管(guan)材(cai)，其壁厚(hou)仅为(wei)管径的(de) 1 /600 ～ 1 /200，并以(yi)其为坯(pi)料成(cheng)功(gong)制(zhi)备(bei)出(chu)多(duo)层(ceng)结构波(bo)纹(wen)管，如(ru)图(tu) 5 所(suo)示(shi)。
4、热(re)推(tui)制成形技术(shu)
热(re)推制成(cheng)形(xing)是环(huan)管和(he)弯(wan)头(tou)产品(pin)常(chang)用(yong)的成(cheng)形方法，它(ta)采用专用弯头(tou)推制(zhi)机(ji)、弯头(tou)成(cheng)形芯(xin)棒和感(gan)应(ying)线(xian)圈(quan)加热装置，使套(tao)在模具(ju)上的坯料管在(zai)推(tui)制机(ji)的推动(dong)下(xia)向前运(yun)动(dong)，进行加热、扩(kuo)径(jing)并(bing)弯(wan)曲成形的过(guo)程。
这种成形(xing)方(fang)式(shi)避(bi)免(mian)了传统弯管工(gong)艺(yi)在弯(wan)管成形时(shi)，因(yin)管壁凸边(bian)受(shou)拉(la)减薄、管壁凹边(bian)受(shou)压增厚(hou)而造(zao)成的(de)弯管壁(bi)厚(hou)不(bu)均(jun)匀(yun)的(de)现(xian)象，这对于航空(kong)航天用(yong)高(gao)承(cheng)压容(rong)器(qi)制(zhi)备(bei)具有(you)重(zhong)要的(de)意(yi)义。
在弯(wan)头(tou)成形(xing)过(guo)程(cheng)中(zhong)，弯头芯(xin)棒(bang)是不可(ke)缺少的(de)成形(xing)模具。通过合(he)理(li)设计(ji)成形芯棒(bang)，可使弯(wan)头内外(wai)侧(ce)变形均(jun)匀(yun)，获(huo)得较好的壁(bi)厚(hou)均匀性(xing)。西(xi)北(bei)有色金(jin)属(shu)研究院钛合(he)金(jin)研(yan)究(jiu)所在(zai)开发某(mou)航天用钛(tai)环(huan)形气瓶内(nei)衬过程(cheng)中(zhong)，针对所设(she)计(ji)的环管进(jin)行(xing)了(le)有限(xian)元(yuan)数(shu)值(zhi)模(mo)拟(ni)［28］。图(tu) 6a、6b 分(fen)别(bie)为(wei)采用(yong)有限元模拟的(de)环管成形过(guo)程(cheng)中的应力、应变(bian)云图(tu)［28］。模(mo)拟结果(guo)表明，环(huan)
管(guan)成(cheng)形过(guo)程中应力应(ying)变比较(jiao)均(jun)匀(yun)。图(tu) 7a 为制备的TA2 钛(tai)环形(xing)气瓶(ping)内(nei)衬(chen)，其(qi)管径为 36 mm，外环(huan)直径为 260 mm，各项(xiang)技术(shu)指(zhi)标(biao)均(jun)达(da)到设计要求(qiu)。采(cai)用(yong)该(gai)技(ji)术(shu)同(tong)时(shi)制(zhi)备了(le) TA15 钛合(he)金大(da)规格(ge)环形高压气瓶(ping)，如(ru)图(tu) 7b 所示(shi)。该气瓶(ping)管径(jing)为(wei) 100 mm，外环(huan)直(zhi)径为700 mm，爆破压(ya)力(li)达到(dao) 70 MPa。
5、热模(mo)锻(duan)成(cheng)形(xing)技术(shu)
热(re)模锻是钛(tai)合金加工成形的(de)常用方法(fa)之一，该(gai)方法(fa)充(chong)分(fen)利用钛合金高(gao)温下(xia)流(liu)变应(ying)力(li)低、易于成形的(de)特(te)性(xing)，将其加(jia)工成(cheng)各(ge)种(zhong)形(xing)状(zhuang)的产(chan)品。与(yu)等温模(mo)锻(duan)相比(bi)，热(re)模(mo)锻的(de)成(cheng)本更低(di)，生(sheng)产效(xiao)率(lv)也更高(gao)。开始(shi)热(re)模锻(duan)前(qian)，需(xu)要(yao)进行(xing)模(mo)具(ju)设(she)计(ji)、坯料(liao)准(zhun)备及(ji)热(re)模(mo)锻工(gong)艺(yi)参(can)数的确定。如果(guo)按传统方(fang)式(shi)通过(guo)经验(yan)进行(xing)确(que)定(ding)，往(wang)往(wang)不(bu)够精确(que)。而采(cai)用(yong)数值模(mo)拟方(fang)法可(ke)以在加工(gong)成形前发现(xian)模具和工艺设(she)计中(zhong)可(ke)能存(cun)在(zai)的(de)问(wen)题，通(tong)过(guo)优化(hua)工艺(yi)参数(shu)提(ti)高(gao)产品(pin)质(zhi)量(liang)，避(bi)免人(ren)力(li)、物力(li)和时(shi)间(jian)的浪(lang)费(fei)。
例如(ru)某锥(zhui)形(xing)体由(you)一种(zhong)新型(xing)钛合金(jin)制备(bei)，由于缺(que)乏该合金(jin)的(de)加(jia)工(gong)成(cheng)形(xing)经(jing)验(yan)，利用有限元软件(jian)对其(qi)热(re)模(mo)锻过(guo)程进行(xing)数值模(mo)拟，并(bing)对结(jie)果进行分析(xi)。图(tu) 8为锥(zhui)形(xing)体(ti)热(re)模(mo)锻的(de)几(ji)何模型示(shi)意图(tu)［29］。
材(cai)料(liao)成形过(guo)程十分(fen)复(fu)杂(za)，为(wei)简(jian)化(hua)模拟过程，可(ke)以(yi)进(jin)行(xing)一(yi)些假设(she)，如不计材料的弹(dan)性变形，材料(liao)完(wan)全(quan)均(jun)质且(qie)各(ge)向同(tong)性，体积不可(ke)压(ya)缩(suo)，变(bian)形(xing)流动(dong)服(fu)从Levy-Misses 流动原(yuan)理。热模锻(duan)过(guo)程的(de)数值(zhi)模(mo)拟(ni)结果(guo)表明，在(zai)锥(zhui)体成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)中，塑性变(bian)形不(bu)均匀，尤其是当变(bian)形进(jin)入最后阶段，坯料(liao)变(bian)形部分(fen)与下(xia)模(mo)完(wan)全(quan)贴(tie)合，此时(shi)再继续施加(jia)变形时(shi)，材(cai)料(liao)将发(fa)生(sheng)不(bu)均(jun)匀(yun)减薄。因(yin)此(ci)，在(zai)模(mo)具设(she)计时要(yao)注(zhu)意下压(ya)限位(wei)装(zhuang)置的(de)设(she)置。图(tu) 9 为(wei)热模(mo)锻成(cheng)形的(de)大规格(ge)钛合(he)金(jin)锥形(xing)体。
6、结语
西北(bei)有色(se)金属(shu)研究院经过(guo)多年(nian)技(ji)术攻关，针(zhen)对(dui)特殊的应(ying)用需求(qiu)，设计并(bing)开发(fa)出(chu)了(le)适(shi)合钛(tai)合金板、棒(bang)、管(guan)等(deng)加工(gong)的多(duo)项成(cheng)形技(ji)术，制备出(chu)了(le)不(bu)同形(xing)状(zhuang)、规(gui)格(ge)及(ji)品种的(de)钛合(he)金复杂零(ling)部(bu)件，满(man)足了(le)多项国(guo)防(fang)重(zhong)点(dian)工程(cheng)对(dui)钛(tai)合(he)金(jin)深加工(gong)产品的亟(ji)需(xu)，同(tong)时也推(tui)动(dong)了钛(tai)合(he)金成形(xing)技术(shu)的(de)进(jin)步(bu)。
目(mu)前，钛(tai)合金成(cheng)形(xing)技术(shu)虽已(yi)进入工程(cheng)应(ying)用阶段，并展(zhan)现(xian)出(chu)巨(ju)大的(de)技术(shu)经(jing)济效(xiao)益，但(dan)仍(reng)以航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)等工(gong)业(ye)为主(zhu)，应用领域有一定的局限(xian)性。如果(guo)要广(guang)泛(fan)拓(tuo)展钛(tai)合(he)金的应(ying)用领域，必须(xu)大幅度(du)提(ti)高钛(tai)合金成形(xing)加工(gong)的(de)效(xiao)率并(bing)降低(di)其成本。将(jiang)传(chuan)统加工(gong)成形工艺与(yu)目前蓬(peng)勃发(fa)展(zhan)的大(da)数(shu)据人(ren)工(gong)智(zhi)能及数(shu)值(zhi)模(mo)拟预(yu)测等(deng)新技(ji)术(shu)进(jin)行深(shen)度融(rong)合，是(shi)推进(jin)技术进步(bu)的(de)有(you)效手段，也(ye)将(jiang)是(shi)钛合(he)金成形(xing)技术的发展(zhan)方(fang)向。
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相(xiang)关链(lian)接
