采用線膨脹系數(shù)可控ZrO2-TiO2陶瓷模具的鈦合金高精度超塑成形

蔣少松， 赫曉東， 張凱鋒， 高 鵬， 李保永

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱150001;3.北京航星機(jī)器制造公司，北京100013)

采用鈦合金超塑成形技術(shù)制造的航空航天結(jié)構(gòu)件，既可提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞、抗腐蝕特性，又可滿足質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的目標(biāo)，同時(shí)還可縮短制造周期，與傳統(tǒng)的加工工藝相比，有很大的優(yōu)勢(shì)［1～5］。然而，在鈦合金超塑成形中，由于實(shí)驗(yàn)溫度較高，成形模具與工件均會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱膨脹。鈦合金的線膨脹系數(shù)在(8～10)×10-6℃-1之間，而超塑成形中常用的耐熱鋼模具的線膨脹系數(shù)則在(13～18)×10-6℃-1之間，成形材料的線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于成形模具的線膨脹系數(shù)。對(duì)于尺寸大，形狀不規(guī)則的鈦合金零件進(jìn)行超塑成形時(shí)，線膨脹系數(shù)的差異不僅會(huì)造成零件難以脫模、尺寸精度降低等問題，還會(huì)導(dǎo)致工件的形狀畸變。尺寸越大的工件，線膨脹差異引起的成形精度降低問題會(huì)越嚴(yán)重。

為了解決線膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致成形精度降低問題，本工作引入了陶瓷模具。除了獨(dú)特的耐高溫、耐磨、耐蝕性能以外，陶瓷模具還具備價(jià)格低，質(zhì)量輕，摩擦系數(shù)低，成形能耗少，制品尺寸精度和表面精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的模具材料［6，7］。雖然其具有韌性差的缺點(diǎn)，但超塑成形所需要的成形壓力小，模具負(fù)載小，因此，陶瓷模具在超塑成形中的應(yīng)用，即能發(fā)揮其高溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，又能避免其韌性差的缺點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景［8，9］。國內(nèi)外很多研究者已將陶瓷模具作為傳統(tǒng)超塑成形耐熱鋼模具的替代者進(jìn)行開發(fā)使用。Boeing公司的Sanders D G開發(fā)了硅石玻璃陶瓷模具，并采用該陶瓷模具成功地超塑成形出噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦風(fēng)扇葉［10］。法國的 Bernhart G等將體積分?jǐn)?shù)較低的短金屬纖維混合入陶瓷模具以增加其強(qiáng)度，即使某一處已經(jīng)發(fā)生斷裂，模具整體仍然保持著較高的強(qiáng)度［11］。

更為重要的是，陶瓷模具的線膨脹系數(shù)可以通過不同的材料組分配比來控制，使制作與鈦合金等膨脹系數(shù)的模具成為可能。而目前國內(nèi)外文獻(xiàn)鮮有將控制線膨脹系數(shù)引入到陶瓷模具中以提高超塑成形精度的報(bào)導(dǎo)。鑒于此，本工作將系統(tǒng)地研究通過控制ZrO2-TiO2陶瓷模具的線膨脹系數(shù)來提高TC4鈦合金超塑成形的精度。

1 ZrO2-TiO2陶瓷線膨脹系數(shù)測(cè)試

采用ZrO2和TiO2陶瓷混合粉體來燒制陶瓷模具，氧化鋯陶瓷價(jià)格便宜，易燒結(jié)，強(qiáng)度和斷裂韌度都非常優(yōu)異，是普遍使用的結(jié)構(gòu)陶瓷之一。氧化鈦陶瓷的加入可以改善模具表面粗糙度，并能有效避免模具與TC4板材發(fā)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)所使用的ZrO2和TiO2粉體均為商業(yè)用粉體，為河北鵬達(dá)新材料科技有限公司生產(chǎn)。兩種粉體的基本參數(shù)如表1所示，由生產(chǎn)廠家提供。兩種陶瓷粉末采用機(jī)械混合法混合，在QM-ISP2L球磨機(jī)上混合12h，球磨介質(zhì)為無水乙醇，磨球?yàn)檠趸X磨球。將球磨后的混合粉末漿體放入干燥爐，在100℃時(shí)干燥12h，然后將其人工粉碎后用細(xì)篩過篩，即得到制造ZrO2-TiO2陶瓷的原始粉料。

表1 ZrO2和TiO2的基本參數(shù)Table 1 Basic properties of3Y-ZrO2 and TiO2

線膨脹系數(shù)測(cè)試試樣為φ10mm×50mm的圓柱體，采用模壓成形法制作試樣粉坯，無壓燒結(jié)燒制ZrO2-TiO2陶瓷試樣，RPZ-03P全自動(dòng)高溫?zé)崤蛎泝x及燒結(jié)后的試樣如圖1所示。升溫速率為5℃/min，測(cè)量的溫度區(qū)間為5℃。由于TC4鈦合金超塑成形溫度為930℃，因此測(cè)量了ZrO2-TiO2陶瓷在200～925℃的線膨脹系數(shù)，測(cè)量在空氣中進(jìn)行。根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果，該儀器自動(dòng)計(jì)算生成材料的平均線膨脹系數(shù)，每種試樣測(cè)量三組后取平均值。

圖1 RPZ-03P熱膨脹測(cè)試儀(a)及ZrO2-TiO2陶瓷測(cè)試試樣(b)Fig.1 The RPZ-03P thermal dilatometer(a)and ZrO2-TiO2 ceramic cylinder specimen(b)

1.1 TiO2體積含量對(duì)ZrO2-TiO2陶瓷線膨脹系數(shù)的影響

由于 TiO2的線膨脹系數(shù)較低(8.2× 10-6℃-1)，ZrO2的線膨脹系數(shù)較高(9.6× 10-6℃-1)，而 TC4鈦合金的膨脹系數(shù)(8.92× 10-6℃-1)處于兩者之間，因此可以通過調(diào)節(jié)陶瓷粉末的比例來改變其膨脹系數(shù)，從而獲得與TC4膨脹系數(shù)接近的陶瓷成分配比。為了研究TiO2的體積含量對(duì)ZrO2-TiO2陶瓷的影響規(guī)律，測(cè)試了1550℃燒制的不同TiO2體積分?jǐn)?shù)(0%，15%，30%，40%，55%)的ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，5種不同體積配比的ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)均隨著溫度的升高而增大。當(dāng)TiO2體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)，ZrO2陶瓷在930℃時(shí)的線膨脹系數(shù)為9.6×10-6℃-1，與生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)相同。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)分別為15%，30%，40%，55%時(shí)，ZrO2-TiO2陶瓷在925℃時(shí)的線膨脹系數(shù)分別為9.2×10-6℃-1，8.8×10-6℃-1，8.7× 10-6℃-1和8.5×10-6℃-1。隨著 TiO2含量的增加，ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)降低。

這種現(xiàn)象可以通過Turner公式來解釋，兩相復(fù)合材料線膨脹系數(shù)的Turner表達(dá)式為［12］:

式中:a，V和E分別為線膨脹系數(shù)，體積分?jǐn)?shù)和彈性模量;p，m分別指兩相顆粒。

因TiO2的線膨脹系數(shù)比ZrO2的小，所以ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)隨TiO2引入量的增加而減小是合理的。

圖2 不同TiO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)線膨脹系數(shù)影響Fig.2 Curves of different volume fraction of TiO2 effect on linear expansion coefficient

1.2 燒結(jié)后相對(duì)密度對(duì)ZrO2-TiO2陶瓷線膨脹系數(shù)的影響

由于超塑成形具有成形力小、速率慢、模具不受沖擊等特點(diǎn)，因此對(duì)于ZrO2-TiO2陶瓷模具而言，意味著其不需要絕對(duì)高的致密度就能滿足成形要求。鑒于此，本工作研究了不同相對(duì)密度對(duì)ZrO2-TiO2陶瓷線膨脹系數(shù)的影響規(guī)律。四組TiO2體積分?jǐn)?shù)為30%的ZrO2-TiO2曲線如圖3所示，相對(duì)密度為0.92，0.86，0.80和0.75時(shí)對(duì)應(yīng)的ZrO2-TiO2陶瓷粉坯分別在1550℃，1450℃，1400℃和1350℃燒結(jié)而成，相對(duì)密度分別為0.92，0.86，0.80和0.75。與之對(duì)應(yīng)，陶瓷在925℃時(shí)的線膨脹系數(shù)分別為9.04×10-6℃-1，8.91×10-6℃-1，8.85×10-6℃-1和8.78×10-6℃-1。線膨脹系數(shù)隨著陶瓷相對(duì)密度的降低而降低。這是因?yàn)殡S著相對(duì)密度的減小，陶瓷材料的氣孔率增加，材料內(nèi)的顆粒之間充斥著更多的氣孔。隨著溫度的升高，材料粒子的振幅增加，但其膨脹效果被材料內(nèi)部的氣孔所吸收，反映在宏觀上，就是材料線膨脹系數(shù)的相對(duì)減小。

2 修正的Turner計(jì)算模型的提出

為了對(duì)比本研究中實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值的差異，采用Turner方程計(jì)算了不同TiO2體積分?jǐn)?shù)時(shí)ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)，并與本工作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。如圖4所示，Turner模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值接近，且數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，但實(shí)測(cè)值比Turner模型的預(yù)測(cè)值略小。由于本工作中所測(cè)試的不同TiO2體積分?jǐn)?shù)的ZrO2-TiO2陶瓷是在1550℃時(shí)無壓燒結(jié)而成，因此沒有達(dá)到絕對(duì)致密，相對(duì)致密度為0.92。由于ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)與相對(duì)密度有關(guān)，隨著相對(duì)密度的降低而減小，因此不難理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小于模型數(shù)據(jù)。

圖3 不同相對(duì)密度對(duì)線膨脹系數(shù)的影響Fig.3 Curves of different relative density effect on linear expansion coefficient

圖4 實(shí)驗(yàn)值與Turner模型計(jì)算值比較Fig.4 Comparison of experimental data and data calculated by Turnermodel

由于ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)與材料組成成分和材料相對(duì)密度均有關(guān)系，而Turner公式?jīng)]有考慮氣孔對(duì)線膨脹系數(shù)的影響，因此在實(shí)驗(yàn)測(cè)定值和計(jì)算值之間常常出現(xiàn)誤差［13，14］。鑒于此，工作過程中對(duì)Turner公式進(jìn)行了修正，將相對(duì)密度引入到Turner公式中，修正后的Turner公式為:

式中:a為線膨脹系數(shù);d為相對(duì)密度;V為體積分?jǐn)?shù);E為彈性(楊氏)模量;c表示兩相復(fù)合材料;m和p表示材料的兩相。

為了燒制出與TC4鈦合金線膨脹系數(shù)(8.92 ×10-6℃-1)相同的ZrO2-TiO2陶瓷模具，同時(shí)驗(yàn)證修正后的 Turner公式的準(zhǔn)確性，根據(jù)修正的Turner模型計(jì)算出ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)為8.92×10-6℃-1時(shí)的五種不同粉料配比及相應(yīng)的相對(duì)密度的計(jì)算值，如表2所示。并對(duì)這五組數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，五組不同配比的試樣被模壓成形，并在不同燒結(jié)溫度、不同保溫時(shí)間的條件下燒結(jié)為與之相對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度。對(duì)五組試樣的線膨脹系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較如圖5所示。

結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與修正的Turner公式的計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合。該公式在一定程度上能準(zhǔn)確地反映相對(duì)密度對(duì)陶瓷模具的影響。為了達(dá)到目標(biāo)膨脹系數(shù)8.92×10-6℃-1，隨著TiO2含量的增加，所需要的相對(duì)密度也隨之增加。該實(shí)驗(yàn)清楚地表明，通過調(diào)整TiO2的含量和ZrO2-TiO2陶瓷的相對(duì)密度，可以精確控制其線膨脹系數(shù)。

表2 線膨脹系數(shù)為8.92×10-6℃-1時(shí)不同TiO2體積分?jǐn)?shù)及相對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度計(jì)算值Table 2 Different volume fraction of TiO2 and corresponding calculated relative density as the LEC controlled to be 8.92×10-6℃-1

圖5 線膨脹系數(shù)為8.92×10-6℃-1時(shí)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.5 Comparison of calculated data and experimental data as LEC controlled to be 8.92×10-6℃-1

3 壓痕法測(cè)試與TC4鈦合金等膨脹系數(shù)陶瓷模具的成形精度

為了進(jìn)一步驗(yàn)證采用與TC4鈦合金等膨脹系數(shù)的ZrO2-TiO2陶瓷模具超塑成形時(shí)的成形誤差，采用超塑成形壓痕法來測(cè)試其精度。采用模壓法成形，在1550℃無壓燒結(jié)了兩個(gè)直徑12mm，長度15mm，TiO2體積分?jǐn)?shù)為27%，相對(duì)密度為0.92的ZrO2-TiO2陶瓷圓柱(如圖6所示)，并將其固定在帶有兩個(gè)孔的ZrO2-TiO2陶瓷底座上，如圖7所示。由于兩個(gè)孔的中心距離難以測(cè)量，因此中心間距距離L0采用下式計(jì)算。

ZrO2-TiO2陶瓷圓柱的線膨脹系數(shù)與TC4鈦合金膨脹系數(shù)基本相同，如圖8所示。采用超塑成形在厚度為0.8mm的TC4平板上成形出兩個(gè)陶瓷圓柱的印痕，然后對(duì)室溫下其印痕位置及尺寸進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)比陶瓷圓柱的間距L0與其在TC4鈦合金印痕之間的間距L1來衡量陶瓷模具與TC4之間成形的精確性。超塑成形實(shí)驗(yàn)在自行研制的1000kN超塑成形機(jī)上進(jìn)行，超塑成形后TC4鈦合金板上的壓痕如圖9所示。

圖8 ZrO2-TiO2陶瓷與TC4鈦合金的膨脹系數(shù)比較Fig.8 Comparison of thermal expansion coefficient of ZrO2-TiO2 ceramic die and TC4 titanium alloy

為準(zhǔn)確的測(cè)量超塑成形尺寸精度，進(jìn)行了三次壓痕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后，X1，X2，X3和X4之間的距離在測(cè)量顯微鏡下測(cè)試，分別測(cè)量三次后取平均值，測(cè)量計(jì)算后的L0值為28059μm，而壓痕中心之間的距離L1的三組值如表3所示?？芍『坶g距L1與圓柱間距L0的誤差在25.0～58.5μm之間，最大誤差不超過59μm，即不超過原始尺寸的0.1%。因此，TC4等膨脹系數(shù)的陶瓷超塑成形精確度很高，基本與陶瓷圓柱原始距離相同。超塑成形結(jié)束后，陶瓷圓柱還可再次放入壓痕中且無間隙。因此可知，采用與TC4鈦合金等膨脹系數(shù)的ZrO2-TiO2陶瓷模具，在超塑成形中與TC4鈦合金具有相同的熱膨脹和熱收縮，冷卻過程中兩者之間差異很小，模具的名義尺寸基本等于零件的名義尺寸，超塑成形精度有了大幅度提高。

圖9 TC4鈦合金壓痕Fig.9 Impression of TC4 titanium alloy

表3 TC4壓痕尺寸測(cè)量Table 3 Measurement of impression dimension

4 采用ZrO2-TiO2陶瓷模具的TC4鈦合金超塑成形

為了進(jìn)一步測(cè)試ZrO2-TiO2陶瓷模具在超塑成形中的使用性能，制作了ZrO2-TiO2筒形陶瓷模具。實(shí)驗(yàn)材料為在球磨機(jī)中混合后的TiO2體積分?jǐn)?shù)為27%的ZrO2和TiO2混合粉末，黏結(jié)劑為聚乙烯醇，工藝流程與壓痕法測(cè)試圓柱試樣基本相同。在1550℃無壓燒結(jié)后可得到線膨脹系數(shù)與TC4鈦合金等同的陶瓷模具(如圖10所示)。

圖10 與TC4鈦合金等膨脹系數(shù)相匹配的ZrO2-TiO2陶瓷模具Fig.10 ZrO2-TiO2 ceramic die with the same thermal expansion coefficientwith TC4

為了防止陶瓷模具受壓破裂，將陶瓷模放置于下模內(nèi)，陶瓷模高度略低于下模，下模作為受壓體，上模和下模接觸以密封氣體。由于陶瓷模具表面粗糙度較好，且本身為陶瓷材料，因此不使用潤滑劑。超塑成形的TC4鈦合金為厚度0.5mm，直徑80mm的圓形板料。將板料放置于上、下模之間后，開啟冷卻水系統(tǒng)后開始升溫，升溫速率為10℃/min。當(dāng)溫度到達(dá)925℃后，保溫30min。冷卻至室溫時(shí)模具出爐，TC4筒形件可以很容易地從陶瓷模具中取出，不需要撬取。取出后還能將其再次放入陶瓷模具，且與陶瓷模具貼合緊密，說明TC4筒形件的尺寸與筒形件尺寸完全相同。超塑成形后的TC4筒形件如圖11所示。其表面質(zhì)量和精確度均高于耐熱鋼模具成形件。這表明ZrO2-TiO2陶瓷模具在925℃具有較好的熱機(jī)械性能進(jìn)行超塑成形，使用性能優(yōu)良。由于其一系列的優(yōu)點(diǎn)且與TC4鈦合金線膨脹系數(shù)相同，因此有理由相信ZrO2-TiO2陶瓷模具在鈦合金超塑成形領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖11 使用陶瓷模具超塑成形的TC4鈦合金筒形件Fig.11 TC4 titanium alloy cylinder of superplastic forming using ceramic die

5 結(jié)論

(1)隨著TiO2含量的增加，ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)降低。這是因?yàn)門iO2的線膨脹系數(shù)小于ZrO2的線膨脹系數(shù)，根據(jù)Turner公式可知該現(xiàn)象是合理的。同時(shí)，隨著ZrO2-TiO2陶瓷相對(duì)密度的增加，線膨脹系數(shù)隨之增加?？梢岳斫鉃殡S著溫度的升高，材料粒子的振幅增加，但其膨脹效果被材料內(nèi)部的氣孔所吸收。反映在宏觀上，就是材料線膨脹系數(shù)相對(duì)減小。

(2)對(duì)Turner公式進(jìn)行了修正，將相對(duì)密度d引入到Turner公式中，修正后的 Turner公式為:。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與修正的Turner公式的計(jì)算數(shù)據(jù)吻合度很高，說明該公式能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)ZrO2-TiO2陶瓷的線膨脹系數(shù)。

(3)TC4鈦合金超塑成形壓痕法成形精度測(cè)量結(jié)果表明，采用ZrO2-TiO2陶瓷模具的超塑成形精度大幅提高，尺寸誤差不超過59μm，不超過名義尺寸的0.1%，大幅提高了鈦合金的超塑成形精度。

(4)使用ZrO2-TiO2陶瓷模具在925℃超塑成形了TC4鈦合金筒形件，結(jié)果表明陶瓷模具具有較好的熱機(jī)械性能進(jìn)行超塑成形，且成形后TC4筒形件可以很容易的從陶瓷模具中取出，不像使用耐熱鋼模具那樣需要撬取。說明ZrO2-TiO2陶瓷模具不僅使用性能良好，且超塑成形精度大幅提高。

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