钛合金塑性成形关键技术发展现状及未来发展趋势探究

       近年来，钛合金因其具有密度小、强度高、抗蚀性好、低温性能好等特点而得到了广泛的使用。但由于其冷塑性能差、回弹性大、加工难度大等特点，因此，目前的钛合金加工技术多为热压成型，由于高温下的钛合金容易发生氧化、磨损等问题，同时还需要相应的耐高温模具和加热设备，在操作方面也需要更多成本。因此，研究钛合金塑性成形关键技术发展现状及未来发展趋势，对提升钛合金应用水平而言有着重要意义。

1 钛合金板料塑性成形技术研究

1.1 等温成形技术

       等温成形工艺能有效提高板料的塑性和流动性能，提高金属流动的均匀性，降低变形压力。有人提出了使用等温成形技术（将坯料、模具都加热到变形温度，并在成形过程中，坯料和模具温度基本上保持不变的成形方法）制造钛结构的钣金零件，钛合金对于变形温度很敏感，例如，当变形温度从920℃降到820℃时，钛合金的变形阻力几乎翻倍，其超塑性的变形力大约仅有普通轧制的1/30～1/10。其中，等温成形与超塑性成形是不同的，但等温成形在降低材料变形抗力、提高材料塑性的效果方面不如超塑性成形那样显著。超塑性压力加工成形主要优点是材料可以实现极大的变形。但许多工艺过程无需100%～200%的变形量，通常金属锻比为5，也就是变形达到75%即可。为确保零件高的使用性能不总是要求最优的。而且粗晶片状显微组织对抗疲劳裂纹扩张具有更好的稳定性。虽然等温成形技术可以明显地提高材料的不稳定性，但它是一种一步集成成形技术，很难保证一个好的产品没有任何局部缺陷，例如，成形局部缺陷等，一旦一个产品在局部区域形成了缺陷，后期也无法解决缺陷问题，将会影响整个钛合金产品的质量，这个问题也成为未来技术发展需要克服的难题之一。

1.2 蠕变成形技术

       蠕变成形是指在一定温度下，金属板料在工模具的作用下变形获得理想形状后，保持温度和载荷不变，使工件内部发生应力松弛，弹性应变向永久塑性应变转变，直至残余应力和回弹基本消除，最终冷却后获得理想的工件形状。蠕变成形过程中蠕变驱动力为外加应力，随着蠕变进行，弹性应变减少使得内应力随之减少，外加应力也相应减少。有研究人员指出，热拉伸蠕变工艺是一种新型的薄壁钛合金复合成形工艺。该工艺是通过电阻加热等加热方法，将薄壁金属薄板或型材加热到热成形温度后进行拉伸和弯曲。当最终形态形成时，温度保持不变，材料沿拉伸方向基于模具表面蠕变。这导致成形工件内应力降低和应力在线松弛。减小了残余应力，从而减小了零件的回弹，提高了成形精度。介绍了新工艺技术的研究现状、工艺原理、关键设备、加工工艺及优缺点。最后，展望了热拉-蠕变复合成形技术的应用前景。有研究人员指出，钛合金由于其优良的机械性能和腐蚀性能以及相对较轻的重量而经常用于航空航天应用，如承载机体。然而，众所周知，钛合金在室温下很难形成。因此，在钛合金型材成形中采用热拉弯蠕变成形工艺来提高成形性，降低回弹。热拉伸弯曲和蠕变成形的原理是在热拉伸弯曲阶段后，通过保持工件与模具在选定的驻留时间进行应力松弛阶段。这使得低残余应力和最小回弹的好处，包括廉价的模具和良好的重复性。采用Arrhenius模型对蠕变行为进行表征，在ABAQUS中建立了热拉弯蠕变成形过程的有限元模型。有限元模拟结果表明，残余应力在应力松弛阶段大大降低，低残余应力导致回弹较小。预测的回弹值与实验结果吻合较好。有研究人员指出，蠕变或应力松弛是降低钛合金板热成形回弹的主要机制。到目前为止，这两种现象之间的区别和联系还没有被清楚地探讨。其对Ti6Al4V合金进行了高温短期蠕变和应力松弛试验。利用透射电镜观察合金的显微组织。分别研究了温度、应力和时间对蠕变和应力松弛行为的影响。根据蠕变应变-时间和应变速率-时间的关系，比较了这两种现象的相关性和差异性。结果表明，低温低应力下的原子扩散控制蠕变行为，高温高应力下的位错滑移和爬升控制蠕变行为。应力松弛行为主要受位错爬升的控制。根据蠕变数据预测的应力松弛行为与试验结果吻合较好。

1.3 回弹控制及预优化精密塑性成型技术

1.3.1 通过各种标准控制回弹
       由于钛合金材料具有变形阻力大、弹性模量低、各向异性强，控制回弹在钛塑性加工中具有重要意义。它极大地影响了产品的尺寸和形状误差。到目前为止，我们已经做了很多努力来尽量减少回弹造成的成形误差。有限元仿真结合优化技术是最常用的方法。有人开发了一种减少TC1航空器涂层冷拉伸形成时回弹的优化方法。在优化模型中，建立了一个由有限元计算的应力差的数学公式作为反弹力度的一个指标，而不是隐式反弹分析，并采用多岛遗传算法（针对遗传算法，将目标函数是个多极值的函数，通过假设的方式找到局部最优点，）寻找最优加载参数。工艺参数的优化设计有效地减少了回弹量，提高了成形精度。研究结果为板料成形过程的回弹控制与工艺，提供了指导。有人提出了基于自主开发的TA18合金（Ti-3AI-2.5V）数控（NC）旋转管弯曲的有限元模型，通过多元逐步分析，建立了弯曲角、材料性能和回弹角之间的定量关系。有学者利用Hill各向异性准则预测了商业纯钛（CP-Ti）零件弯曲成形过程中的弹力。有学者认为，TC4弯曲杆的回弹取决于保持在弹性状态的中间材料区的大小，这在内部取决于加工和几何参数，如弯曲半径、弯曲角度和弯曲元件的直径/厚度。有学者采用统计方法求出液压成形过程中回弹角与成形参数的关系，为工装设计师和技术人员缩短制造前置时间提供了一种有效的方法。有学者研究了温度对CP-Ti片回弹补偿的影响。结果表明，随着温度的降低，回弹力显著降低。

1.3.2 预制件和模具优化方法
       预制件和模具优化可以大大减少体成形的误差，这对近板料成形具有重要意义。逆向模拟技术广泛应用干预成型设计中。有学者提出了一种优化TA15合金初始坯料的逐步逆向优化方法。研究发现，用于确定优化对象的修正面的选择是优化的基础，等距抵消决定了优化的精度和可靠性。

1.4 缺陷控制技术

       钛合金冷成形过程中易发生断裂，如TA18钛合金旋转弯曲、TCI钛合金纯钛拉伸成形单点增量成形等。在CP-Ti薄片的单点增量成形（SPIF）过程中，有研究结果表明，钛合金板料塑性成型工件的厚度随深度的增加而减小，避免了成形过程中的断裂，过度的拉伸后力会导致TCI钛合金冷拉伸形成的断裂风险。优化拉伸前和拉伸后的力可以避免断裂。Ti-15-3的应变速率循环超塑性试验的速度波形表明，在变形不均匀的地方可能会发生断裂，第一次采用压下率30%～40%可以避免断裂。

1.5 热旋压成形技术

       旋压成形指的是通过一个，或是多个旋轮，作用在初始平板的旋转进给运动，逐渐使板料和旋转芯模相互贴合，最终得到壁厚相对减薄的空心回转体零件的成形过程。因为旋压过程的旋轮局部加载，相比于传统的板料冲压成形，载荷明显降低。旋压是一种柔性板料成形方法，适合于生产复杂回转体零件的终成形件，或是近终成形件，如锥形件、简形件等等。对于室温下难以成形的轻合金，如钛合金、镁合金等，旋压需要在一定的温度条件下进行，称为热旋压。因为同一温度之下，不同材料或是同一材料在不同的温度之下，其在力学性能方面，也有着较为显著的差异。所以，在热旋压当中，温度的控制非常关键。

2 钛合金塑性成形关键技术的未来发展趋势探究

2.1 在晶体结构演化中的机制和规律

       钛合金的晶体结构是由于连续位错滑移或孪晶在变形时的颗粒取向旋转而形成的。变形结构的演变对应变、温度和变形模式具有很强的敏感性，这影响了钛合金随后的微观结构演变和相应的力学性能，如强度、疲劳寿命、耐腐蚀性能。变形结构通常是在冷成形过程中形成的，它受合金成分、初始结构和加工参数的影响。有学者研究了IMI834合金尖锐局部结构的发展，发现这种结构可以大大降低疲劳寿命。有学者进行了一系列的压缩试验，研究了CP-Ti在高温下的变形结构演化。他们发现，变形样品中的细粒和粗粒的基面都倾向于从初始方向旋转到45°的倾角。有学者研究了单重时效、低温、高温双重时效、时效加热速度等工艺对经热变形后的Ti-10V-2Fe-3Al织构演化的影响。他们观察到，初始相位结构在小应变时不断演化，而a结构可以在大变形时得到。此外，结构可以通过再结晶形成，这被称为再结晶结构。有学者发现CP-Ti在再结晶过程中织构演变的变化是由二次重结晶引起的。有学者研究了Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金在热轧过程中再结晶结构的演变。当厚度减小到90%以上时，他们观察到了梯度结构。他们认为，由表面和中心之间严重的不均匀变形引起的动态再结晶导致了这种类型的结构。

2.2 在形态进化中的机制和规律

       微观结构形貌对温度、应变、应变率、应变路径和热处理路线等加工参数都很敏感，它们的结合是影响钛合金力学性能的典型形态。体积分数、粒径、长径比直接决定了钛合金的微观结构形态，转化相具有良好的综合性能，广泛应用于航空航天、化学加工、海洋和海上、运输和医药等领域。而且，微观结构的持续时间和强度均优于等轴状微观结构，但其疲劳性能较差。由于相的晶粒尺寸大，界面的积分，断裂韧性、持续时间和爬行强度等，导致了弯曲方向的延伸，分散了断裂周围的应力场。然而，由于缺乏对a相的约束，晶粒很容易发生粗化，这可能导致拉伸性能的劣势。最近，有学者等获得了一种新的三模态微观结构，包括约15%、50%～60%层状和转化矩阵，显示高低循环疲劳性能、高蠕变疲劳交互寿命、高断裂韧性和高服务温度的近似锻造过程。有学者研究了近局部载荷形成下应变分布对微观组织形态的影响。他们发现TA15钛合金的微观结构形态随变形程度和加工步骤而变化。具有初级相和层状相的转化粒子是由加工过程中的小变形产生的。而具有无序层状相的聚合变换矩阵是由第一步大变形产生的。在第二步中，分别通过中等变形和大变形产生了转化后的基质和完全球化的微观结构形态。

2.3 建模方法的发展

       内部状态变量方法用少量的内部状态变量来描述其潜在的现象，已被广泛应用于模拟钛合金热加工过程中的微观结构演化。有学者提出了一个基于物理的本构模型来预测两相钛合金的流动应力和粒径变化。在模型中，假设总应力由热激活应力和非热应力组成，其中热激活应力由Kock-Mecking模型描述。与硬化效应相关的非热应力由双参数内部状态变量表示，包括位错密度率和晶粒尺寸率。用混合规则和叠加理论表征了a相和塔相对流动应力的作用。该模型的预测与钛合金的实验结果吻合较好。有学者也对两相TA6合金提出了类似的模型。有学者提出了一个基于位错密度和再结晶分数两个内部状态变量的演化来预测TA15合金热加工过程中等晶相晶粒尺寸变化的模型。

       晶体塑性模型可以反映微观滑动和孪生、微观尺度的不均匀变形、微观结构的抗变变形、取向演化等物理机制，从而得到了深入的发展和广泛的应用。在这一理论中，分别提出和发展了速率无关的晶体塑性（RICP）和速率相关的晶体塑性（RDCP）。RICP数值化的主要问题是单晶塑性变形过程中主动滑移系统的非唯一性和与时间无关的剪切率的确定。有学者引入了一种半隐式积分方案，在确定其剪切速率之前识别主动滑移系统，并量化滑移系统成为活跃的顺序。在RDCP模型中，通过假设所有的滑移系统都是活动的，从而克服了由RICP模型引起的问题。然而，由于高阶非线性流动规律，RDCP模型的积分出现了严重的数值不稳定性。求解RDCP模型的隐式算法在解上具有良好的稳定性。然而，这些方案涉及在局部层面迭代以更新应力，并在全局上执行平衡需要大量的计算工作。因此它几乎不能应用于模拟数千个元素的三维形成过程。因此，提出了一种显式算法来提高计算效率。他们的工作被证明是有效的，但需要进一步改进，以应用于大变形和复杂的载荷条件。当将这一理论应用于钛合金时，还需要解决另一个问题。由于钛合金的六方最密堆积结构，滑动是α相和β相的主要变形模式，而孪晶则是一个相的可选模式。有几种方法可以处理变形孪生产生的大量新方向问题，如主要的双重定向（PTR）方法体积分数转移（VFT）方法和全网格方法。有学者等人对建模方法、问题处理方法及其它的应用进行了综述。

       CA算法已被广泛应用于微观结构演化现象的建模，有学者将元胞自动机（Cellular automata,CA）模型与DRX打印模型相结合，模拟了TC4合金在正场和场中的微观结构演化。他们引入了由K-M模型计算出的位错密度的变化作为整数状态，以将介观结构特征与实际加工条件联系起来。在CA模型，重要的现象，如成核速率、生长动力学，和处理参数的影响，以及初始晶粒径，已经考虑，使定量和地形模拟的生长动力学和拓扑每个r粒在微观结构演化。流动应力曲线形状、r-晶粒生长行为和最终微观结构形态的预测结果与实验结果非常相似。有学者通过CA方法模拟了纯度钛在冷却过程中的静态再结晶。他们发现，诸如不均匀变形、非均匀成核等因素会导致再结晶动力学与实验观察的偏差。为了在微观尺度中引入各晶粒的非均匀变形梯度，有学者将CA模型与晶体塑性有限元法（CPFEM）耦合，模拟了微观结构的演化。

3 结论

       钛合金具有密度低、强度高、抗腐蚀性能好、耐热性高、工艺性能好等优点，但其在高温情况下，与其它材料的化学反应性差，非常容易吸收氢氧等杂质。这一性质迫使钛合金与一般传统的精炼、熔融和铸造技术不同，甚至经常造成模具的损坏。而如果应用先进的钛合金塑性成形技术，则能够有效降低材料的成形力，减少模具与材料之间的摩擦，从而提高零件的表面质量和尺寸精度，提高材料的成形极限，改善材料的成形性能等优点。随着钛合金塑性成形工艺的进一步研究，通过解决钛合金在塑性成形中的难题，改善钛合金的工艺性能，使钛合金塑性成形技术更加成熟，钛合金将会有更广阔的开发和应用空间。近年来，钛合金因其具有密度小、强度高、抗蚀性好、低温性能好等特点而得到了广泛的使用。但由于其冷塑性能差、回弹性大、加工难度大等特点，因此，目前的钛合金加工技术多为热压成型，由于高温下的钛合金容易发生氧化、磨损等问题，同时还需要相应的耐高温模具和加热设备，在操作方面也需要更多成本。因此，研究钛合金塑性成形关键技术发展现状及未来发展趋势，对提升钛合金应用水平而言有着重要意义。