張 成,楊海成,韓 冬,王曉君,莫 蓉,陸小蕊,龔軍善
(1.西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與基礎(chǔ)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072;2.西安航天動力機(jī)械廠,西安 710025;3.中國航天科技集團(tuán)公司四院,西安 710025)
鈦及鈦合金作為一種戰(zhàn)略資源金屬,具有比強(qiáng)度高、使用溫度范圍寬(-269~600℃)、抗蝕性、無磁性、低阻尼和高低溫性能好等特性,在航空航天、船舶、化工、醫(yī)療工程等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。目前,國內(nèi)鈦合金有近70種,列入國標(biāo)的鈦及鈦合金近50種[2]。在室溫下,鈦合金的比拉伸強(qiáng)度為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的1.26倍,高強(qiáng)度鋁合金的1.38倍。在400~500℃內(nèi),鈦合金比持久強(qiáng)度、比蠕變強(qiáng)度和比疲勞強(qiáng)度均明顯優(yōu)于耐熱不銹鋼[3]。同時,鈦合金為難加工材料,切削加工性差,加工效率低,刀具磨損大。正因鈦及鈦合金的加工成本高等因素,開發(fā)應(yīng)用相對較緩慢[4]。因此,發(fā)展先進(jìn)塑性成形技術(shù),提高塑性成形產(chǎn)品的精度和質(zhì)量,對鈦合金推廣和應(yīng)用具有重要意義。
金屬旋壓成形技術(shù)是近代金屬壓力加工中產(chǎn)生的先進(jìn)成形技術(shù)之一,是綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)壓、橫軋和滾壓等工藝特點(diǎn)的少無切削加工的先進(jìn)工藝[5-9]。旋壓被認(rèn)為是加工鈦合金、高溫合金空心回轉(zhuǎn)體零件最有效的方法,并得到了廣泛應(yīng)用[10-23]。
隨著國內(nèi)航天事業(yè)的不斷發(fā)展,鈦金屬在航天領(lǐng)域的應(yīng)用空間不斷拓展,所需鈦合金的旋壓零部件也不斷擴(kuò)展,如太空調(diào)整姿態(tài)使用的鈦合金氣瓶、火箭發(fā)動機(jī)殼體及噴管、發(fā)動機(jī)儲箱、空間飛行器上的球形及環(huán)形貯氣罐、著地探測用月球車等零部件。從航天未來應(yīng)用展望,復(fù)雜型面成形的薄壁零件、高精度零件和低成本化制造將是鈦合金旋壓技術(shù)的發(fā)展趨勢。
金屬旋壓工藝可分為普通旋壓和強(qiáng)力旋壓[23]。這兩類旋壓的成形件在國內(nèi)外航天導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和飛船上均得到應(yīng)用。在火箭上兩相鈦合金 BT6c、BTl4、BT3-1、BT23、BTl6、BT9 等應(yīng)用較多(主要在熱處理強(qiáng)化狀態(tài)下),如高脈沖推重比發(fā)動機(jī)要求采用低溫強(qiáng)度和塑性高的鈦合金,使用退火狀態(tài)BT6c合金制造了工作溫度可達(dá)-200℃的φ600 mm的蓄壓器用的板材、承載托架和管接頭用的坯料。目前,美國利用強(qiáng)力旋壓技術(shù),已研制出φ3.9 m,徑向尺寸精度0.05 mm、表面粗糙度 Ra 0.16~0.32、壁厚差小于 0.03 mm 的火箭發(fā)動機(jī)殼體,幾乎對包括鈦合金在內(nèi)所有的金屬都能旋壓成形,宇宙神洲際導(dǎo)彈的Ti-6Al-4V鈦合金球形氣瓶就是通過旋壓成形實(shí)現(xiàn)的。俄羅斯在火箭中鈦合金所占質(zhì)量為5% ~30%。在“能源-暴風(fēng)雪”號、“和平-1”號、“進(jìn)步”號、“金星”號、“月球”號航天器中也得到廣泛應(yīng)用,如采用近α合金OT4合金板材制造液體燃料火箭發(fā)動機(jī)的燃燒倉和“和平-1”號軌道站對接件;采用OT4-1合金制造發(fā)動機(jī)吊架構(gòu)件、燃料箱、管接頭和托架等。
國內(nèi)航天所用鈦合金及旋壓制品,如火箭發(fā)動機(jī)外殼、葉片罩、陀螺儀導(dǎo)向罩、內(nèi)蒙皮等,鈦8Al1Mo1V高鈦合金用于發(fā)動機(jī)葉片熱處理強(qiáng)化鈦合金旋壓成形;TB2鈦合金用于小型噴管旋壓等。圖1為幾種典型的鈦及鈦合金旋壓制件。
圖1 航天用典型旋壓鈦合金零件Fig.1 Typical spinning titanium alloy parts in aerospace field
航天飛行器等系統(tǒng)使用的鈦合金旋壓件除了具備鈦合金的鍛鑄造組織特性和優(yōu)良的物理性能外,還應(yīng)具有輕量精密化的特點(diǎn),這就對材料和成形設(shè)備提出了很高要求。旋壓件的高可靠性質(zhì)量需經(jīng)得起多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的考核,如高低溫變形、疲勞和強(qiáng)度試驗(yàn)、抗腐蝕性試驗(yàn)的檢測,對成形件的質(zhì)量要求遠(yuǎn)高于一般產(chǎn)品;定型產(chǎn)品的低成本化,對于諸如發(fā)動機(jī)噴管等鈦合金旋壓件在滿足上述條件外,降低成本增加效率是根本,旋壓制造的經(jīng)濟(jì)性工程化應(yīng)用是航天應(yīng)用的最終目標(biāo)。
在鈦合金板材復(fù)雜成形方面,航天703所以TC4鈦合金板材為坯料,采用普旋與強(qiáng)力旋壓相結(jié)合方法,制備出TC4鈦合金半圓球體,并以TC3、TC4鈦合金板材為坯料,熱旋壓制備出2種鈦合金半球形、圓柱形儲箱殼體的杯形件,解決了薄壁TC4板材普旋控制難度大的問題,為同類材料的復(fù)雜型面旋壓提供了有效的技術(shù)手段。另外,703所還進(jìn)行了TA7鈦合金噴管的加熱旋壓成形研究,經(jīng)3道次強(qiáng)力旋壓制備出帶底的變壁厚噴管。在薄壁異形件鈦合金旋壓方面,航天708所與211廠旋壓成形TC4鈦合金球形、橢球形氣瓶,產(chǎn)品主要應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)儲氣箱體。開展了鈦合金無模旋壓收口工藝研究,成功進(jìn)行了φ150 mm×5.0 mm的TC4擠壓管坯旋壓收口成形,為無焊縫整體鈦合金球形、橢球形氣瓶制備提供了合格的坯料[24]。
哈工大張恒大用0.8 mm厚的薄壁TC4鈦合金板材通過普旋成形制備月球車用鈦合金輪圈,并對旋壓過程進(jìn)行有限元模擬,獲得了鈦合金輪圈旋壓的應(yīng)力-應(yīng)變分布、變形流動和壁厚變化規(guī)律[24],航空372廠以TA2鈦合金板材為坯料,制備出12、20 mm帶寬的翻邊錐形體部件[25]。西安航天動力機(jī)械廠開展大型銅箔攝生箔機(jī)鈦筒熱旋壓成形,研制出目前國內(nèi)加工最大直徑的鈦合金筒形件[26];同時,該廠與西交大技術(shù)合作,通過正反2道次普旋翻邊成功旋壓出φ500 mm的薄壁半圓鈦圈,零件用于空間飛行器微動力姿態(tài)調(diào)整[27]。
盡管國內(nèi)學(xué)者采用鈦合金旋壓技術(shù)為航天領(lǐng)域提供了各類旋壓件,但從零件的工程化應(yīng)用和旋壓成形的復(fù)雜性分析,還需進(jìn)一步加強(qiáng)。目前,鈦合金旋壓的加熱手段簡單,基本為乙炔火焰加熱,加熱不穩(wěn)定;旋輪等工裝在熱狀態(tài)下工作的可靠性和適宜性等。所以,鈦合金旋壓在航天技術(shù)應(yīng)用多為試驗(yàn)型課題或單件小批量生產(chǎn),在考慮低成本化和工程化應(yīng)用方面尚有一定差距。
西安航天動力機(jī)械廠聯(lián)合西北有色金屬研究院、西工大等共同開展了5種規(guī)格TA5及Ti-75鑄造組織毛坯旋壓成形工藝,通過合理設(shè)計工裝(旋輪傳動軸承部分設(shè)置水循環(huán)冷卻機(jī)構(gòu),芯模與設(shè)備連接設(shè)計隔熱保護(hù)措施)、開展工藝技術(shù)改進(jìn)、采用感應(yīng)加熱溫度控制等多項措施,成功旋壓出薄壁筒形工件,開辟了鑄態(tài)毛坯組織旋壓成形的先例,將鈦合金旋壓技術(shù)應(yīng)用于高效率低成本的工程制造技術(shù)范圍[28-31],如圖2所示。另外,Xu W和Shan D分別對TA15和Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V鈦合金筒形件旋壓微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析[32-33],為研究鈦合金旋壓的微觀力學(xué)結(jié)構(gòu)打下了基礎(chǔ)。
圖2 Ti-75旋壓工裝及應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.2 Ti-75 Spinning tooling and stress strain curves
鈦具有密排六方晶格,屈強(qiáng)比高,在常溫下鈦合金的屈強(qiáng)比均在0.8以上,高強(qiáng)鈦合金的屈強(qiáng)比超過0.9,因此塑性成形范圍很窄。鈦的熱導(dǎo)率低(僅為鐵的1/4),熱旋時工件表面易產(chǎn)生密集型裂紋。另外,鈦合金在高溫條件下與工具粘著性較大,流動性差,導(dǎo)熱和潤滑問題嚴(yán)重,制件表面質(zhì)量較差,尺寸精度較難控制,產(chǎn)品質(zhì)量不易得到保證。鈦合金的彈性模量較低,僅鋼的1/2,因此旋壓時鈦合金不易貼模,旋壓成形件回彈嚴(yán)重,難以保證形狀和尺寸公差。鈦合金具有六方晶系結(jié)構(gòu),各向異性嚴(yán)重。鈦材在受壓時穩(wěn)定性較低,易失穩(wěn)起皺。鈦合金熱旋時,易出現(xiàn)起皮、裂紋、表面鼓包及尺寸精度差等缺陷[4]。
由于航天飛行器用鈦及鈦合金旋壓件技術(shù)要求高于其他行業(yè),國內(nèi)相關(guān)高校和科研單位對鈦合金旋壓理論進(jìn)行了廣泛研究。鈦合金成形方法和理論研究范圍很廣,分析軟件品種多樣,且各有側(cè)重,北京航天特種材料及工藝技術(shù)研究所通過在強(qiáng)旋設(shè)備上改裝拋物線型仿形樣板,解決了鈦合金普旋成形的關(guān)鍵問題,得出了旋輪沿拋物線型軌跡運(yùn)動,凸緣大端使材料沿各個道次均勻變形,不會造成材料的堆積,而旋輪的直線型軌跡是導(dǎo)致普旋堆積的主要原因[34]。
文獻(xiàn)[35-39]認(rèn)為,旋壓后采用合理的退火和淬火時效處理工藝,可使得TC4鈦合金組織性能提高,非金屬成分含量仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,可滿足航天型號各種使用狀態(tài)的要求。
北京航空制造工程研究所對發(fā)動機(jī)用貯箱殼體用TC4合金進(jìn)行了旋壓成形工藝試驗(yàn)研究,對TC4合金的普旋和強(qiáng)旋成形進(jìn)行了有效組合,完成了較大尺寸TC4合金復(fù)雜回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的整體成形,對成形過程中易出現(xiàn)的問題及成形后零件的組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析認(rèn)為,在經(jīng)過多次復(fù)合旋壓成形后,材料對有害氣體的吸附程度不很明顯,各項性能較旋壓前均有所提高[40]。由于鈦合金常溫塑性較差、變形抗力很大,在室溫條件下進(jìn)行強(qiáng)旋加工較為困難,李繼貞等曾對TC4、Ti-15-3、TB2等材料進(jìn)行過冷強(qiáng)旋試驗(yàn)研究,但由于室溫下低塑性及各工藝參數(shù)的綜合影響,試驗(yàn)件均存在開裂或其他缺陷[40]。
國內(nèi)學(xué)者利用有限元數(shù)值模擬,針對鈦合金旋壓成形過程做了大量工作。李啟軍等采用Ansys/LS-DY NA軟件,以TC4合金預(yù)成型錐形件作坯料,旋制成功了高深徑比的TC4鈦合金筒形件[38]。中科院金屬所呂昕宇和北航制造工程所侯紅亮采用Marc軟件,對TC4鈦合金筒形件流動旋壓及錐形件剪切旋壓進(jìn)行了三維彈塑性有限元模擬,分析了剪旋成形中出現(xiàn)的不貼芯模、旋輪前堆積現(xiàn)象的產(chǎn)生原因[36]。哈工大余汪洋建立了鈦合金半球形件溫旋的三維彈塑性有限元模型,采用動態(tài)顯示有限元程序Ansys/LS-DYNA對鈦合金半球形件溫旋過程進(jìn)行模擬分析,獲得進(jìn)給比、減薄率和材料參數(shù)等因素對溫旋工藝的影響規(guī)律[41]。呂昕宇等采用Marc軟件對TC4鈦合金筒形件流動旋壓及錐形件剪切旋壓進(jìn)行了三維彈塑性有限元模擬,分析了TC4鈦合金三旋輪反旋壓成形筒形坯外表面的等效應(yīng)力、應(yīng)變,得出了筒形件反旋壓成形時的旋壓力[42]。西工大張敏聰開展了TC4鈦合金高壓容器強(qiáng)力旋壓成形過程的有限元模擬,給出了旋壓成形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變分布情況及變形規(guī)律,得出旋壓溫度、旋輪形狀(外徑、成形角、頂端圓角半徑)、旋輪的進(jìn)給比、壁厚減薄率、道次程序及潤滑條件、旋壓方式(正旋、反旋)對成形件精度的影響規(guī)律[43]。哈工大張恒大對0.8 mm薄壁TC4鈦合金板材制備月球車用鈦合金輪圈通過普旋成形過程進(jìn)行了有限元模擬,獲得了鈦合金輪圈旋壓的應(yīng)力-應(yīng)變分布規(guī)律、變形流動規(guī)律和壁厚變化規(guī)律[44]。哈工大單德斌等應(yīng)用Ansys/LSDYIN軟件,對鈦合金輪圈的旋壓過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬,開展了TC4鈦合金熱旋翻邊的試驗(yàn),基于此確定了鈦合金輪圈熱旋壓成形方案,并開展了BT20鈦合金筒形件旋壓組織和擇優(yōu)取向研究[45-48]。西工大李虎[49]及哈工大陳宇[47]開展鈦合金筒形件旋壓熱力耦合研究,西工大韓冬等利用Abaqus/ExPlicit分析模塊,建立了Ti-75合金雙輥輪旋壓有限元模型,通過研究不同旋壓條件下材料組織性能分析,完成了鑄態(tài)毛坯筒形工件的旋壓[28]。
對鈦合金旋壓成形理論的研究發(fā)現(xiàn),鈦合金適于加熱旋壓,熱場穩(wěn)定性決定旋壓成形的穩(wěn)定性;建立彈塑性有限元力學(xué)模型,可對其成形的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析旋壓受力狀態(tài)和缺陷原因;經(jīng)過旋壓的鈦合金材料組織細(xì)化綜合性能不同程度的提高。但對較復(fù)雜型面的薄壁零件旋壓成形分析及低能耗低成本的旋壓成形分析,還有待進(jìn)一步研究。
控制鈦合金熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性是強(qiáng)力熱旋成形的關(guān)鍵。坯料加熱溫度和均勻性是質(zhì)量控制的重要因素。溫度偏低,金屬的變形抗力大,塑性差,在旋壓時易產(chǎn)生裂紋;溫度過高,易產(chǎn)生堆積隆起,且變形后金屬晶粒增大,表面氧化加劇,降低旋壓件的綜合性能。坯料受熱不均,溫度梯度過大,從而鈦合金(導(dǎo)熱性差)變形不均,工件表面易產(chǎn)生密集型裂紋[26];不同牌號、工件形狀的合金旋壓溫度也不盡相同,見表1。
表1 不同鈦合金旋壓件的旋壓溫度選取Table 1 Choosing spinning temperature for different Titanium alloy spinning pieces
鈦合金在旋壓工藝中,由于受到坯料狀態(tài)、工藝參數(shù)等因素影響,易出現(xiàn)起皮、裂紋等缺陷。因此,在坯料狀態(tài)確定的條件下,采用合理的工藝參數(shù),可有效防止旋壓缺陷的產(chǎn)生。
裂紋是鈦合金旋壓件的缺陷之一。引起旋壓件裂紋的主要原因?yàn)椴牧先毕荨⒐に噮?shù)及變形不均等因素。溫度梯度也是裂紋產(chǎn)生的重要原因;另外,普旋失穩(wěn)最終會產(chǎn)生起皺開裂。起皮是鈦合金熱旋產(chǎn)生的魚鱗狀毛刺,一般與流動旋壓過程中材料的隆起有密切關(guān)系。由于旋壓過程中旋輪前隆起的材料被壓入旋輪下產(chǎn)生折迭,毛坯材料在旋輪前形成局部隆起,可用隆起系數(shù)表示。其中為工件變形處實(shí)際壁厚為工件變形處名義壁厚。隆起系數(shù)隨壁厚減薄率、進(jìn)給比和旋輪工作角的增大而增大。在其他參數(shù)相同的條件下,正旋的隆起比反旋要小;另外,加熱溫度過高也易產(chǎn)生起皮缺陷。堆積形成的主要原因是工件加熱溫度過高強(qiáng)度過低,旋輪工作角相對過大導(dǎo)致。失穩(wěn)是由于道次減薄率過大,金屬成型復(fù)雜引起,普旋失穩(wěn)與板料直徑和壁厚有關(guān)。
旋壓工裝主要含芯模及旋輪。對于鈦合金熱旋壓方式,芯模采用熱作模具鋼。通過旋壓試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,熱作模具鋼5CrNiMo為芯模材料較適宜,考慮到熱成形,調(diào)質(zhì)硬度不宜過高。旋壓芯模受熱傳遞,旋壓機(jī)主軸箱體容易受熱膨脹,影響其使用壽命。因此,需在芯模和設(shè)備主軸連接處加石棉墊隔熱。旋輪軸承部位需通入循環(huán)水冷卻,防止旋輪“抱死”現(xiàn)象出現(xiàn)。
鈦合金旋壓需要耐高溫材料作潤滑劑,常溫下旋壓使用的二硫化鉬及石墨干粉均不能滿足鈦合金旋壓,高溫潤滑劑中玻璃潤滑是理想的耐高溫防腐潤滑材料[50]。
國內(nèi)已基本掌握了小型鈦合金簡單零件的旋壓工藝技術(shù),但在鈦合金及高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形技術(shù)還處在工藝摸索階段,在航天工程所需的帶有復(fù)雜內(nèi)筋的薄壁零件、非對稱回轉(zhuǎn)體零件的旋壓加工方法還處于研究階段。另外,國內(nèi)使用的近70種鈦合金在航天工程應(yīng)用中也十分有限,鈦合金一些優(yōu)良性能還未充分得到驗(yàn)證。對于鈦合金旋壓的低成本試驗(yàn),包括粉末冶金毛坯、鑄造組織毛坯以及板材卷焊成形毛坯的旋壓是未來突破性進(jìn)展和大規(guī)模應(yīng)用的方向。同時,隨著我國航天技術(shù)發(fā)展,高性能輕量化鈦合金精確旋壓成形技術(shù)在火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和飛船上具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。
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