超塑性自由脹形溫度對(duì)Ti2AlNb板材壁厚分布的影響

馬俊林， 劉雨生， 李　萍， 薛克敏

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，230009 合肥)

?

超塑性自由脹形溫度對(duì)Ti2AlNb板材壁厚分布的影響

馬俊林， 劉雨生， 李萍， 薛克敏

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，230009 合肥)

摘要:為研究Ti2AlNb合金高溫超塑性自由脹形時(shí)的壁厚分布規(guī)律，對(duì)初始厚度均勻的Ti2AlNb板材進(jìn)行有限元模擬和試驗(yàn)研究. 在脹形溫度分別為910、930、950和970 ℃時(shí)，采用恒應(yīng)變速率法對(duì)最終脹形試樣的壁厚分布進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了脹形后試樣的壁厚分布規(guī)律. 結(jié)果表明:Ti2AlNb板材在脹形后曲面壁厚分布不均勻，易呈現(xiàn)出不規(guī)則球形;脹形溫度對(duì)曲面形狀和壁厚具有較大的影響,變形溫度對(duì)Ti2AlNb板材超塑性自由脹形壁厚分布影響較大. 在此基礎(chǔ)上，引入溫度敏感性指數(shù)n，對(duì)預(yù)測(cè)脹形壁厚的E-K模型進(jìn)行修正. 研究結(jié)果為Ti2A1Nb合金在航空航天復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的超塑成形提供一定的參考依據(jù).

關(guān)鍵詞:超塑性自由脹形; Ti2AlNb合金; 壁厚分布; 溫度; 有限元

Ti2AlNb是以有序正交結(jié)構(gòu)O相為基礎(chǔ)的金屬間化合物合金(簡(jiǎn)稱為Ti2AlNb基合金)，由于長程有序的超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)減弱了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和高溫?cái)U(kuò)散，因而該合金不僅具有較高的高溫抗拉強(qiáng)度、室溫塑性和疲勞強(qiáng)度，而且抗氧化性、抗高溫蠕變性能良好[1-3]. Ti2AlNb合金作為高密度鎳基高溫合金的替代材料被寄予極大的期待[4-5].

板料超塑脹形是利用板料在超塑性狀態(tài)下具有的良好成形性，可以一次成形出傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)、形狀復(fù)雜的零件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域[6-7]. 目前，對(duì)普通鈦合金超塑性變形機(jī)制和基于有限元的材料變形行為數(shù)學(xué)模型等的研究較多，利用超塑性自由脹形技術(shù)制造Ti2A1Nb合金薄壁結(jié)構(gòu)零件的研究仍處于起步階段[8-10]. 文獻(xiàn)[11]對(duì)粗晶態(tài)Ti2AlNb合金的超塑性行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，系統(tǒng)研究了Ti2AlNb合金在1213～1263 K內(nèi)的超塑性變形機(jī)制，并得到本構(gòu)方程. Enikeev和Kruglov[12](E-K模型)假設(shè)材料為各向同性的均質(zhì)材料，并且在脹形過程中中間剖面呈標(biāo)準(zhǔn)橢圓形或圓形，計(jì)算得到厚度解析式.

本文采用有限元模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)Ti2AlNb合金在910 、930 、950 和970 ℃下的超塑脹形工藝進(jìn)行研究，分析不同成形溫度下最終脹形試樣的厚度分布規(guī)律，獲得了最佳的超塑脹形成形溫度，并修正了鈦合金自由脹形預(yù)測(cè)壁厚的E-K模型，對(duì)促進(jìn)Ti2AlNb合金結(jié)構(gòu)件的工業(yè)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義.

1試驗(yàn)

試驗(yàn)所用材料為O相基合金Ti2AlNb合金化熱軋態(tài)板材，板材尺寸為140 mm×140 mm×1.0 mm，密度為5.28 g/cm3，極限抗拉強(qiáng)度為1126 MPa，其化學(xué)成分如表1所示. 經(jīng)過熱處理后，晶粒尺寸只有5 μm左右，并且合金中含有體積分?jǐn)?shù)相近的α2/O相和B2相，在變形中能相互制約來抑制晶粒的長大，如圖1所示. 因此，該Ti2AlNb基板材具有良好的超塑性性能，可以滿足自由脹形試驗(yàn)要求. 采用壓力可控的氣壓脹形設(shè)備進(jìn)行超塑性自由脹形試驗(yàn)，通過加熱設(shè)備保證板材在各溫度下恒溫變形，脹形部分的板材直徑為110 mm.

表1　Ti2AlNb合金的化學(xué)成分　wt.%

圖1　初始Ti2AlNb板材組織

2有限元模擬

2.1力學(xué)模型

超塑性材料是應(yīng)變速率敏感性材料，變形過程呈穩(wěn)態(tài)變形，一般可忽略應(yīng)變硬化現(xiàn)象. 超塑成形的流變方程為[13]

(1)

基于SPF模塊的MSC.MARC可以很好地模擬板材的超塑性變形過程，方程(1)對(duì)應(yīng)于MARC中的POWER LAW準(zhǔn)則：

其中，B和N的值對(duì)應(yīng)于式(1)中的K和m的值.

溫度/℃延伸率/%mK9101450.243559301600.304609501750.4210009701300.13100

2.2幾何模型

2.3基本假設(shè)

相比普通塑性變形過程，超塑性變形過程更為復(fù)雜，涉及到材料非線性、幾何非線性等諸多問題. 為便于有限元模擬研究，對(duì)Ti2AlNb板材超塑性自由脹形作如下假設(shè)：

1)板材采用理想剛塑性材料模型，不考慮彈性變形的影響，模具定義為剛性.

2)在脹形過程中的各個(gè)溫度參數(shù)保持恒定不變.

3)材料體積不變且各向同性，忽略超塑成形中的應(yīng)變硬化效應(yīng).

4)板材和模具在整個(gè)過程不發(fā)生侵入和貫穿現(xiàn)象.

圖2　幾何模型

2.4摩擦與邊界條件

超塑性自由脹形過程是未被模具壓邊的坯料不斷脹形的過程. 在數(shù)值分析中，坯料與模具接觸的部分計(jì)算距離公差、摩擦力等，本文采用庫倫摩擦模型[15]. 考慮試驗(yàn)的工況條件，摩擦因子取0.3.

定義板材和模具邊緣節(jié)點(diǎn)的x、y、z方向位移為0，定義對(duì)稱面A和B處分別在x和y方向的位移為0，如圖2所示. 對(duì)板材所有單元施加面載荷，壓力方向均指向模具，并定義為跟隨力，在成形過程中壓力方向始終垂直于單元.

3結(jié)果及討論

3.1模擬結(jié)果

各溫度下有限元模擬設(shè)置的參數(shù)只是m和K的值不同，因此各溫度下模擬的板材脹形壁厚分布規(guī)律也較相似，故以950 ℃脹形的模擬結(jié)果為例. 如圖3所示，Ti2AlNb板材在950 ℃下脹形至最終階段時(shí)(t=3 000 s)，曲面頂點(diǎn)處板料厚度為0.324 mm，最大減薄率達(dá)到67.6%. 模擬結(jié)果顯示，脹形至飽滿曲面時(shí)，曲面最薄處位于曲面最頂點(diǎn)，板材厚度自曲面底部邊緣至曲面頂點(diǎn)呈梯度減小. 在后處理中，根據(jù)最大應(yīng)變速率控制法可以自動(dòng)計(jì)算出各溫度脹形的壓力-時(shí)間曲線(如圖4所示)，這為后期試驗(yàn)的壓力加載提供了參考，有利于減少脹形時(shí)間，得到壁厚分布均勻的樣件.

3.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)在910、930、950和970 ℃下的極限脹形最大氣壓分別為2.6、2.0、2.0和1.6 MPa. 由于忽略材料本身組織和性能的不均勻等影響，與圖4的模擬結(jié)果相比，試驗(yàn)脹形氣壓偏大. 極限脹形后的試樣如圖5所示，隨著脹形溫度的增加，球形越飽滿，表明變形溫度越高，Ti2AlNb合金脹形可變形程度越高. 在脹形的最終階段，曲面減薄嚴(yán)重，在靠近球頂處產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致最終曲面形狀不規(guī)則. 根據(jù)投影法，測(cè)得各脹形溫度下的α角分別為73°、76°、90°和90°，說明Ti2AlNb板材的可脹形程度隨變形溫度的升高而不斷增大. 如圖6所示，隨變形溫度逐漸增加，板材的最終脹形高度不斷增大，曲面頂點(diǎn)處厚度反而越小. 表明較高的脹形溫度有利于Ti2AlNb合金超塑性的發(fā)揮. 為了準(zhǔn)確研究Ti2AlNb板材超塑性自由脹形最終壁厚分布的規(guī)律，沿脹形后試樣中間剖面，每隔弧度5 mm做標(biāo)記. 每個(gè)點(diǎn)附近使用游標(biāo)卡尺測(cè)量三次，取平均值為該點(diǎn)壁厚的試驗(yàn)值.

圖3　950 ℃時(shí)脹形模擬結(jié)果(t=3 000 s)

圖4　壓力-時(shí)間曲線

圖7所示為各脹形溫度下Ti2AlNb板材脹形的試驗(yàn)測(cè)量、有限元模擬和E-K預(yù)測(cè)模型計(jì)算的壁厚沿曲面的分布結(jié)果. 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于整個(gè)曲面壁厚分布，有限元模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，特別是在曲面頂點(diǎn)區(qū)域和曲面底部區(qū)域吻合最好，原因是有限元模擬時(shí)考慮了溫度的影響(不同溫度下的m和K值). 模擬結(jié)果表明，有限元模擬可以為Ti2AlNb板材超塑性自由脹形后曲面壁厚分布提供一定的參考. 而E-K模型在910～970 ℃內(nèi)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大，說明E-K模型不能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)Ti2AlNb板材在910～970 ℃內(nèi)低應(yīng)變速率自由脹形的壁厚分布情況.

(a) T=910 ℃

(b) T=930 ℃

(c) T=950 ℃

(d) T=970 ℃

圖6　試樣最終脹形高度和頂點(diǎn)處的壁厚

(a) T=910 ℃

(b) T=930 ℃

(c) T=950 ℃

(d) T=970 ℃

3.3討論

鈦合金在高溫變形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力和溫度之間滿足包含激活能和溫度的雙曲正弦關(guān)系[16]. 根據(jù)表2，變形溫度對(duì)Ti2AlNb合金的超塑性變形影響較大，表明該材料在超塑性變形過程中具有溫度敏感性的特征. 而E-K預(yù)測(cè)模型沒有考慮變形溫度對(duì)超塑性脹形壁厚分布的影響，而且實(shí)際脹形過程中曲面各點(diǎn)的應(yīng)變速率各不相同，這些因素都會(huì)導(dǎo)致Ti2AlNb板材試驗(yàn)的壁厚分布情況與數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果之間產(chǎn)生較大的誤差.

通常，溫度敏感性指數(shù)n表達(dá)式如下[17]：

(2)

為研究溫度對(duì)Ti2AlNb合金脹形的影響，在已確定的應(yīng)變速率的基礎(chǔ)上，根據(jù)課題組已有的研究成果，得到σ-T曲線，如圖8所示. 對(duì)圖9中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算擬合直線的斜率，得到Ti2AlNb合金在910～970 ℃內(nèi)的n=0.364.

圖8　Ti2AlNb合金的σ-T曲線

圖9　E-K模型修正前后的比較

E-K模型脹型原理如圖10所示[12]，在脹形前板材上的一點(diǎn)M，在脹形的某一階段會(huì)移至M′點(diǎn). Enikeev和Kruglov[12]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過M′點(diǎn)的曲面經(jīng)線脹形α角后被拉長(α/sinα)倍，經(jīng)過M'點(diǎn)的曲面緯線會(huì)被拉長ρ/ρ0倍,得到曲面M'點(diǎn)的厚度為(假設(shè)材料不可壓縮)

(3)

但是，Enikeev和Kruglov并沒有考慮溫度對(duì)金屬材料脹形時(shí)的影響，隨著脹形溫度的提高，金屬材料會(huì)不斷軟化. 因此，M′點(diǎn)在經(jīng)線方向或是緯線方向上，其被拉伸的程度可能會(huì)更高. 并且沿M′點(diǎn)經(jīng)線方向，自曲面頂點(diǎn)至邊緣處，溫度對(duì)這種拉伸作用的影響越來越小. 為了衡量脹形溫度對(duì)壁厚分布的影響，引入溫度敏感性指數(shù)n，則式(3)可表示為

(4)

式中: ρ和ρ0分別為M點(diǎn)和M'點(diǎn)的水平坐標(biāo)；系數(shù)a、b和c是與材料、脹形溫度有關(guān)的常數(shù)，可根據(jù)具體脹形工藝參數(shù)確定.

根據(jù)圖10中的幾何關(guān)系可知

(5)

(6)

結(jié)合式(4)～(6)，得到修正后的E-K模型表達(dá)式為

取溫度T=970 ℃，在此溫度下，a=0.60，b=1.54，c=0.95，得到Ti2AlNb合金在970 ℃脹形時(shí)的壁厚分布模型. 如圖9所示，與E-K模型相比，修正后的E-K模型對(duì)實(shí)際脹形壁厚分布的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確.

圖10　脹形原理示意

4結(jié)論

1)在整個(gè)曲面區(qū)域，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，原因是有限元模擬設(shè)置不同溫度下m和K的值，考慮了脹形溫度的影響. 因此，有限元模擬可以為Ti2AlNb合金在該溫度范圍內(nèi)的超塑性極限自由脹形的壁厚分布提供一定的參考.

2)較低的脹形溫度易導(dǎo)致Ti2AlNb合金流動(dòng)變形困難，m的值較小，難以在脹形時(shí)產(chǎn)生超塑性變形，容易破裂；較高的脹形溫度有利于發(fā)揮該Ti2AlNb合金的超塑性性能，但曲面頂點(diǎn)處的壁厚減薄嚴(yán)重，易產(chǎn)生破裂.

3)在910～970 ℃內(nèi)，E-K模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，主要原因是E-K模型沒有考慮脹形溫度的影響，E-K模型不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)Ti2AlNb合金在該溫度范圍內(nèi)的超塑性自由極限脹形壁厚分布情況；引入溫度敏感性指數(shù)對(duì)E-K模型進(jìn)行修正，修正的E-K模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)的壁厚分布情況吻合較好，可以為預(yù)測(cè)Ti2AlNb合金在910～970 ℃內(nèi)的脹形壁厚分布情況提供較好的參考.

參考文獻(xiàn)

[1] DAI Jingru, LU Huimin, CAI Zhijin. Effect of erbium addition on microstructre of As-Cast Ti-22Al-25Nb alloy[J]. Materials Processing and Interfaces, 2012, 1: 955-961.

[2] BRAUN R, LEYENS C. Protective coatings on orthorhombic Ti2AlNb alloys[J]. Materials at High Temperatures, 2005, 22(3/4): 437-447.

[3] WU H Y，ZHANG P Z，XU Z. Study on nanomechanical and high temperature tribological behaviour of Ti2AlNb based alloys by plasma surface alloying[J]. Surface Engineering, 2008, 24(6): 464-469.

[4] WANG Yuanhong, LIU Zhanguo, OUYANG Jiahu, et al. Preparation and high temperature oxidation resistance of microarc oxidation ceramic coatings formed on Ti2AlNb alloy[J]. Applied Surface Science, 2012, 258(22): 8946-8952.

[5] MALECKA J. Investigation of the oxidation behavior of orthorhombic Ti2AlNb alloy[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2015, 24(5): 1834-1840.

[6] LIU G, WU Y, ZHAO J, et al. Formability determination of titanium alloy tube for high pressure pneumatic forming at elevated temperature[J]. Procedia Engineering, 2014, 81: 2243-2248.

[7] TABATABAEI S M R, SAFARI M, ESFAHANI R S, et al. Experimental and numerical investigation of cold bulge forming of titanium alloy Ti55[J]. World Journal of Mechanics, 2013,3(9):323-327.

[8] LIU Jingyuan, ZHANG Kaifeng. Resistance heating superplastic forming and influence of current on deformation mechanism of TA15 titanium alloy[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 76(9): 1673-1680.

[9] BRUSCHI S, ALTAN T, BANABIC D, et al. Testing and modelling of material behavior and formability in sheet metal forming[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2014, 63(2): 727-749.

[10]張久文，陳國清，周文龍，等. 熱軋態(tài)Ti2AlNb 合金超塑性變形行為的研究[J]. 航空制造技術(shù)，2007(增刊)：449-453.

[11]周偉, 姚澤坤, 秦春. 工藝參數(shù)對(duì)粗晶Ti2AlNb合金超塑性行為的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2014(1): 209-213.

[12]ENIKEEV F U, KRUGLOV A A. An analysis of the superplastic forming of a thin circular diaphragm[J]. International journal of mechanical sciences, 1995, 37(5): 473-483.

[13]MIRACLE D B, TAMIRISAKANDALA S, BHAT R B, et al. Titanium alloy microstructural refinement method and high temperature-high strain rate superplastic forming of titanium alloys: U.S. Patent Application 13/344, 818[P]. 2012-1-6.

[14]劉勝京, 徐永超, 姜波, 等. 基于橢球曲面的超塑自由脹形力學(xué)解析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, 50(18)73-81.

[15]蔣少松, 張凱鋒, 吳海峰, 等. 變摩擦控制厚度分布的 TC4 深筒形件正反向超塑成形[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2008, 28(6): 16-22.

[16]張雪敏, 曹福洋, 岳紅彥, 等. TC11 鈦合金熱變形本構(gòu)方程的建立[J]. 稀有金屬材料與工程, 2013, 42(5): 937-941.

[17]潘曉華. Ti-6Al-4V 合金等溫壓縮變形時(shí)的溫度敏感性指數(shù)[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(14): 89-93.

(編輯王小唯苗秀芝)

The influence of temperature for thickness distribution of Ti2AlNb alloy sheet formed by superplastic free bulging

MA Junlin, LIU Yusheng, LI Ping, XUE Kemin

(School of Material Science and Engineering, Hefei University of Technology, 230009 Hefei, China)

Abstract:In order to research the thickness distribution laws of Ti2AlNb alloy when it is deformed with the superplastic free bulging in high temperature, the Ti2AlNb sheet with an uniform initial thickness, has been studied by the finite element simulation and experiment in this paper. Laws of the limit bulged samples are experimented in the 910 ℃, 930 ℃, 950 ℃ and 970 ℃. And the thickness distribution of finally bulged samples are simulated numerically with the constant strain rate. It is found that, the spherical thickness distribution is uneven after bulging; and Ti2AlNb sheet is bulged into irregular spherical easily; and the temperature relatively effects the spherical shape and the thickness as well. The temperature can affect the thickness distribution of Ti2AlNb alloy sheet formed by superplastic free bulging, based on which the temperature sensitivity index n is considered to correct the E-K model which predicts the thickness of the bulged sheet. The study provides a reference basis for the superplastic deformation of complex thin-walled structures in aerospace of Ti2AlNb alloy.

Keywords:superplastic free bulging; Ti2AlNb alloy; thickness distribution; temperature; FEM

中圖分類號(hào):TG306

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)05-0172-06

通信作者:李萍，li_ping@hfut.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:馬俊林(1990—)，男，碩士研究生;薛克敏(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175137); 教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-13-0765).

收稿日期:2015-05-08.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.05.028

李萍(1973—)，女，教授，博士生導(dǎo)師;