高成形精度航空中空承载构件研制：TA15钛合金板超塑变形最优参数标定多构型双层结构成形规律及强韧性匹配与工程应用价值研究

引言

21世纪的新型飞行器具有飞行速度快、突防性能强、攻击范围广、响应迅速等优点，已成为我国精准打击武器的重要组成部分[1-3]。相较于传统飞行器，高超声速无人飞行器在主体结构的耐高温、轻量化、复杂流线外形等方面提出了更高的要求，相应的轻量化结构设计和制造工艺方法也急需获得突破，多项制造难题亟需解决[4]。

钛及钛合金作为上世纪50年代投入使用的金属结构材料，与其他金属材料相比其具备优异的比强/刚度、良好的高温性能以及抗腐蚀能力。因此，钛合金成为如今先进高超音速无人飞行器零件设计的首选轻量化结构材料之一，如国外某型号高超音速飞行器中钛合金占比达到整体零件材料的1/5~1/4[5-7]。TA15钛合金是一种近α型耐高温钛合金，其名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其长期服役温度可达500℃，是我国应用最为成功且广泛的钛合金，通常应用于高速无人飞行器等航天领域热结构部件[8]。

除采用轻质金属材料外，亦可通过结构设计优化，如将实体结构变为中空多层结构，在减重的基础上实现构件强度与刚度的有效提升。对于钛合金等低延展性金属材料的中空多层结构，采用超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术加工时能够实现大尺寸、复杂面板外形的精确成形，且避免了回弹问题，尤其是某些扩散性能较差的钛合金材料也能通过先扩散焊接再超塑成形制备出具有复杂面板外形的中空结构[9-10]。DU Z等[11]成形出 SPF/DB钛合金 4层中空网格构件，并分析其结构承载及弯曲特性。WUDP等[12]采用仿真分析和试验表征的方法研究了航空典型4层空心结构侧壁区域的损伤值和压缩强度值，发现其扩散连接区域出现了开裂失效。彭鹏等[13]使用TA15预镂空面板进行SPF/DB试验，成形出减重效果大幅提升的中空双层壁板。

可见，当前围绕钛合金板材SPF/DB成形技术的研究主要集中于型面简单以及加强筋几何形状单一的中空多层结构，难以满足结构高承载能力设计与轻量化精确成形的协同要求。钛合金中空多层结构的应用正朝着严苛高温疲劳性能和复杂载荷工况条件方向发展，对加强筋几何形状的相关工艺和力学性能研究仍然不足。因此，本文基于TA15钛合金的超塑性变形特征及组织演变，采用数值模拟与成形试验对双层中空结构 SPF/DB工艺展开研究，探讨了空心加强筋几何形状对于双层结构的超塑成形质量以及弯曲力学特性的影响规律，为航空航天承载结构中TA15钛合金双层中空结构的工程应用提供了设计参考。

1、试验材料与方法

1.1试验材料

本文采用的试验材料为TA15钛合金轧制板材，厚度为0.8mm，由宝钛集团有限公司生产。TA15为近α型钛合金，其合金成分是Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其中Al为α相稳定元素，Mo、V为β相稳定元素，Zr为中性元素。

TA15钛合金的原始组织的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)图与晶粒尺寸分布如图1所示。经过轧制后的TA15板材大部分由极细小的等轴α相组成,平均晶粒尺寸davg为1.72μm,其分布形式接近于正态分布,如图1b所示。β相弥散分布在α相晶界处，体积分数约为10.9%。

1.2试验设备及方法

在840~940℃温度区间对TA15钛合金进行超塑性拉伸，试样尺寸如图2所示，应变速率分别选取1x10^-3、1x10^-2和1x10^-1s^-1。试验开始前清洁试样表面并将线切割产生的表面微裂纹打磨光滑，超塑性拉伸试验采用三思纵横UTM5000电子万能试验机进行，该设备集合了拉伸、压缩、蠕变及剪切等多轴加载模式，可全面表征金属材料的力学性能。

材料的超塑性与其微观组织结构有着内在联系，微观组织的演变影响材料在超塑成形过程中的变形机制，从而影响材料的超塑性。此外，超塑成形后的微观组织结构也决定了成形构件的使用力学性能和结构完整性[14]，通常认为超塑成形构件的晶粒尺寸小于10μm时有益于提高其疲劳寿命。TA15钛合金试样在试验设计的温度和应变速率范围下进行超塑性变形，试样拉断后立即水淬，以保留变形后的微观组织形貌。采用Quanta200FEG的场发射扫描电镜观察超塑变形后微观组织及断口处组织形貌，取样位置如图3所示，其中取样位置1用于微观组织观察,位置2用于断口形貌观察。

采用SPF/DB一体化成形工艺制备钛合金双层中空结构，在构件上切取测试件。采用型号为100kN Instron的万能材料试验机进行测试件三点弯曲试验。加载销/压头和支撑辊由高强度钢制成，直径为Φ10mm，两支撑辊之间的跨距为72mm。试验时，作为加载头的上方钢棒向下移动，加载速率设置为2mm.min^-1，试验温度为室温，万能材料试验机会自动记录整个过程中的位移及载荷，生成所需的载荷-位移曲线。图4所示为三点弯曲试验装置示意图，其中，H为试样高度，h。为加强筋高度，L为试样长度，L。为跨距，r为支撑辊直径。

1.3有限元仿真

采用MSC.Marc有限元软件对TA15双层中空结构的超塑成形过程进行模拟，将板材定义为变形体，模具面定义为刚体。根据超塑性拉伸试验结果计算TA15合金材料Backofen本构方程，得到应变速率敏感系数m与材料参数K值代人有限元材料模型中进行计算分析。理想状态下，成形前后扩散连接位置不发生变化，因此在模拟过程中设置此区域为固定的边界条件。而在变形板料表面施加均匀分布的面载荷，施加方向和板料垂直，施加方式设置超塑成形控制，采用最大应变速率恒定法施加气压。成形过程中板料和模具表面存在摩擦力作用，摩擦因数设置0.2。

提取超塑成形仿真模拟的后处理结果，保留其非均厚网格单元尺寸和超塑变形特征，作为三点弯曲过程模拟仿真的原始分析模型。

2、结果与讨论

2.1 TA15钛合金的超塑性及组织演变

图5为TA15钛合金试样超塑性拉伸试验前后试样状态对比。可以看出，经过超塑性拉伸变形后，应变速率较高的拉伸试样断口呈现针尖状，而应变速率较慢的拉伸试样标距部分则未出现颈缩，变形均匀，为典型的超塑变形特征。在温度为840~940℃，应变速率为1x10^-3~1x10^-2s^-1条件下，TA15钛合金呈现出良好的超塑性;当超塑拉伸条件为900℃/1x10^-3s^-1时，TA15钛合金的最大伸长率达到1340%，稳态变形阶段持续时间较长，合金变形过程中呈现显著的高抗颈缩能力。

按照正交试验原则，对TA15板材不同应变速率以及温度下超塑性拉伸后断口组织进行观察，如图6所示。可以看到，高倍形貌下各试样断口处均存在大量韧窝，从而可以确定TA15合金超塑变形时断裂机制为韧性断裂，并呈现出良好的塑性变形性能。韧窝为金属微区中塑性变形产生的显微空洞，通过空位形核，并由于应力影响逐渐长大，当裂纹达到一定尺寸后，试样断裂。通常来说，当断裂条件相同，韧窝尺寸愈大说明材料的塑性愈好，根据图5研究发现，随变形温度的升高和应变速率的降低，韧窝的数量逐渐减少，尺寸和深度逐渐增加(即颜色增深)，此现象和超塑变形试验结果吻合。

图 7为 TA15钛合金在1×10^-2s^-1、不同变形温度下超塑变形后断口附近的微观组织,ε为应变量。变形温度较低时TA15合金的组织主要由等轴状α相和分散的β相构成,α相晶粒粗大,且主要为初生α相。随着温度逐渐提高，等轴α晶粒尺寸逐渐减小,β相含量逐渐增加,并且在β相中开始出现次生α相。由图7可知,试样的真应变随β相体积分数的增加而增加,表明β相分数的增加提高了TA15合金的超塑性。通常认为，随着β相分数的增加，α/β和β/β晶界数量增加，α/α晶界数量减少。因此,由于α/β晶界滑动的贡献,超塑性成形性能提高。然而,β相体积分数的增加也会引起与静态和动态晶粒过度生长等相关的微观结构变化,从而导致超塑性的恶化[15]。当温度为940℃时,高β相体积分数导致伸长率降低。在所有变形阶段,高伸长率后的相形态保持等轴,这是超塑性的典型特征[16]。

2.2双层中空结构SPF/DB有限元模拟结果

图8所示为TA15板材在900℃/1x10^-3s^-1/3MPa条件下进行超塑气胀成形的仿真结果。板材在气压的作用下首先经历自由胀形，而后与模具型腔接触并贴模成形。1800s时，板材变形集中于顶部为连续平面的II形加强筋位置，且靠近立筋与面板的圆角过渡位置板材的等效塑性应变较大，最大在气压的作用下首先经历自由胀形，而后与模具型部分板料贴合模具，但此时圆角处仍留有很大间隙，成形不完全。5400s时，四周圆角也完全贴模，与模具之间的缝隙进一步缩小，最大等效塑性应变增大至0.76。

图9为TA15板材超塑成形厚度分布云图，加强筋处板材与模具贴合间隙很小，四周圆角处充模效果良好。沿图9a所示方向进行厚度测量，结果如图9b所示，显示了板材不同区域的变形情况和加强立筋成形情况，其中，板材的扩散连接位置厚度未发生变化。由图可知,600s时板材处于自由胀形阶段，不同加强筋区域板材的厚度均匀变化;变形继续至1800s时，加强筋侧壁及凹下平面位置开始变形，同时Π形筋较其余形状加强筋率先开始贴模，中心区域板材减薄;当成形时间增加时，加强筋立壁厚度基本不再变化，3600s后加强筋凹下平面位置逐渐贴模，且此区域最终板材的成形厚度大于最深处区域，说明w形、M形与双直立加强筋型腔的设计改善了板料的流动情况，降低了中心区域的壁厚减薄。随着变形进一步进行，圆角位置变形急剧增加，直至5400s时接近成形极限。最小壁厚出现在双直立筋圆角区域，减薄率为57.5%，表明此处板材的弯曲减薄变形程度远大于周围区域的双向拉伸减薄，为成形的危险区域。

2.3双层中空结构SPF/DB成形试验

根据上述双层中空结构SPF/DB有限元模拟结果，进行结构件的工艺方案与成形模具的设计。SPF/DB成形流程如下:下料一板材预处理一涂覆止焊剂-毛坯组焊-检查气密性-装炉升温-SPF/DB成形-降温取件-成形质量评估。双层结构件下面板料厚为0.8mm，具有加强筋的面板料厚为1.2mm。由于扩散连接对板材表面要求较高,氧化膜须完全清除,因此需对加工的TA15钛合金板材采用化学清洗、机械打磨相结合的方式进行表面处理。双层中空结构成形模具中上、下模与板材摆放位置及其实物图如图10所示。

前处理结束后进行双层结构SPF/DB成形试验,将组焊后的成形件装入模具并放入热压机，模具与板材随炉升至900℃，向模具通入氩气进行双层钛合金板材的扩散连接，气压达到1.5MPa后保压30min，气压达到2MPa后保压60min。随后向模具型腔的不锈钢气管中通入氩气，进行双层结构超塑成形试验，当加热炉温度达到900℃时，保压10min。基于模拟分析中修正的气压曲线开始加压，缓慢加压到3MPa时开始保压20min。试验结束后关闭加热系统，随后卸载气路，降温并取出成形件，如图11所示。可以看到，结构件成形效果良好，表面质量较高，无肉眼可见缺陷，符合要求。观察钛合金双层中空结构成形件的单侧面板发现，不同几何形状的加强筋成形完全，板料贴模效果良好，整体结构质量合格。

为分析TA15钛合金双层中空结构的厚度分布及其均匀性，取不同几何形状的加强筋截面中各位置进行壁厚测量。图12所示为4种空心加强筋截面的壁厚测量点选取示意图，由于为轴对称结构，仅选择单侧进行壁厚测量,模拟与成形件实测结果的对比如图13所示。可以看到，模拟结果与实际结果相较吻合，对应位置的厚度差较小，最大误差仅为2.4%，说明模拟结果可靠。除II形筋外，其余空心加强筋的减薄程度与仿真规律一致，这是由测量点位置的不同造成的，仿真模拟时为预测成形过程的危险破裂区域，测量位置取在空心加强筋圆角处，而试验验证时为观察空心区域成形情况，测量位置取在结构1/2处。对于II形筋，其圆角处减薄程度与其余区域相差不大，壁厚分布较为均匀，这一点与其他截面形状的空心加强筋不同，因而出现了仿真和试验规律性的差异。

为研究扩散界面连接质量，对成形后的双层中空结构选取扩散区域进行切割,制备微观组织观察试样。由图可知，取样位置处扩散连接质量较高，大部分区域已难以直接观察到扩散层，组织为典型等轴晶组织，仅边缘出现较小的未完全焊合区域，如图14所示。

2.4双层中空结构弯曲性能

图15所示为双层中空结构试验件进行弯曲试验后的实物图。由图可知，试验件在承受三点弯曲载荷作用时，上下两层板材受力形式存在差异，加载压头作用的加强筋侧芯板主要承受压缩载荷，而下方面板主要承受拉伸载荷作用，并且在上方加载压头附近的局部结构主要承受平压载荷作用，变形主要集中于此处。试验件在三点弯曲过程中表现出典型弯曲变形特征，上芯板中心区域发生屈曲，存在轻微局部凹陷(压头下方)，下面板相对而言仅有少量变形，弯曲程度较小，双层结构产生整体弯曲并在两端有一定翘曲。室温条件下，在试验件与加载压头相接触部分的空心筋两侧以及下面板表面可观察到脆性断裂裂纹(图14中黄色单向箭头所示)。在三点弯曲试验中，结构的破坏失效模式通常由上芯板和面板的屈曲失稳开始，伴随着扩散连接位置的脱焊破坏，最终造成整个结构的失效破坏。图16所示为三点弯曲试验与数值模拟结果破坏位置的对比，其破坏模式和破坏位置基本一致，表明所建立的有限元模型可靠并具备实际参考价值。

图17所示为弯曲载荷-位移曲线。由图可知，试验初期结构首先产生弹性变形，载荷-位移曲线沿一定斜率直线上升。随后曲线斜率减小且呈现相对平缓的态势，结构进入屈服状态，这一阶段可用于表征双层中空结构的抗塑性变形能力。当加载力达到峰值后初始失效发生，曲线开始趋于下降，此时试验件产生明显的裂纹，但仍具有一定的抗弯承载能力。最后，曲线斜率再次变化，走向变得相对平缓，同时出现严重的裂纹扩展和整个试样的严重破坏。对于部分试验件，在结构承受三点弯曲载荷时，由于两层板材的扩散连接附近位置出现脱焊现象，导致曲线上载荷在此处突然下降，与前述扩散界面处出现未完全焊合区域对应。随着压头位移量的增加，脱焊面积越来越大，使得芯板局部不再受面板约束，结构更易发生屈曲失效，从而失去承载能力。将弯曲试验所得的载荷位移数据进行计算，获得各试验件的弯曲性能量化指标，如表1所示。结构高度相同时，形筋和双直立筋弯曲强度较高，M形筋和II形筋抗弯强度相对较弱。

表1 弯曲性能对比

Tab.1 Comparison of bending performance

3、结论

(1)TA15合金最佳超塑性变形温度为900℃，应变速率为1x10^-3s^-1，此时伸长率达到1340%。超塑变形后的微观组织观察表明，TA15合金超塑变形时断裂机制为韧性断裂,并呈现出良好的塑性变形性能;随应变速率的降低和温度的升高,α相发生长大,同时β相含量增加,变形后相形态仍保持等轴状。

(2)双层中空结构在5400s时完全贴模且成形完全，壁厚在双直立筋圆角区域最小，减薄率为57.5%。基于有限元模拟参数进行SPF/DB成形试验，成功制备出具有不同几何形状加强筋的TA15钛合金双层中空结构，试验获得的壁厚分布与仿真结果最大误差仅为2.4%。

(3)进行双层中空结构三点弯曲测试,结果表明, w形筋(97.7 MPa)和双直立筋(100.8MPa)表现出较高的弯曲强度，M形筋和II形筋相对较弱;试验过程的弯曲失效模式和破坏位置与仿真结果基本吻合，验证了有限元模型的可靠性。

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（注，原文标题：TA15钛合金双层中空结构SPF_DB成形性能及力学性能研究_邢宇涵）