钛合金超塑成形/扩散连接的数值模拟及工艺研究

利用有限元软件Marc对钛合金TC4板的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)进行数值模拟。通过模拟获得优化的压力-时间(p-t)曲线,为后续的超塑成形/扩散连接试验提供参考基础。经过试验得到钛合金TC4板超塑成形/扩散连接的最佳工艺参数为:超塑成形,θ=900℃、p=2.5 MPat、=790 s;扩散连接,θ=900℃、p=3.0 MPat、=80min。

钛合金超塑成形/扩散连接空心结构在空空导弹舵翼面上的应用

相对于传统金属机加或蒙皮骨架焊接结构，将钛合金超塑成形/扩散连接工艺方法应用于舵翼面空心结构的设计及其制造，在满足超音速气动加热和大载荷强刚度严苛的要求下，可显著降低超音速空空导弹舵翼面的重量（30%~50%）、提高导弹性能；并改善钛合金加工工艺性，缩短了生产周期，降低了生产成本，同时对超塑成形/扩散连接舵翼面结构设计、成形工艺、验证试验和质量控制等问题进行了探讨。

钛合金空心点阵超塑成形/扩散连接成形工艺和性能研究

钛合金空心点阵是典型的承载–功能一体化结构,采用单轴拉伸方法,在不同温度、应变速率条件下测定TA15、TA32钛合金的超塑拉伸延伸率,最大延伸率分别达到1450%和950%,后在不同温度、压力条件下进行扩散连接试验。根据超塑拉伸和扩散连接试验,确定了超塑成形和扩散连接(Superplastic forming/diffusion bonding,SPF/DB)的最佳工艺参数为:920℃/1.5~2.0 MPa/2 h,制备了不同构型和几何参数的TA15、TA32钛合金空心点阵结构件。采用平压方法和三点弯曲方法测定了钛合金空心点阵的力学性能,压缩和弯曲强度最大值分别达到23.83 MPa、596MPa,通过有限元和试验分析的方法,研究了几何参数对钛合金空心点阵平压和弯曲性能的影响规律。采用单面加热方法,研究了钛合金空心点阵结构的隔热性能,在400℃/1 h条件下,隔热温差达到276.3~310℃。

TC31钛合金四层舵翼超塑成形/扩散连接工艺研究

为研究TC31四层舵翼的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺,开展了高温拉伸、有限元仿真和舵翼件试验研究。结果表明,TC31钛合金在920℃和0.001s^(-1)应变速率下,延伸率为639%,展现了良好的超塑性能;四层舵翼超塑成形/扩散连接的ABAQUS仿真结果表明,最大减薄处位于预置块边缘单胞的圆角处芯板上,最大减薄率为67.5%,最大真应变为1.04;在920℃,利用0.2MPa背压和芯板内阶梯加压方法,成功制备了无表面凹陷的TC31四层板舵翼件;在920℃和3MPa压力下扩散2h,扩散连接界面质量良好,焊合率达到97%以上。

TA15钛合金局部减重中空双层结构超塑成形/扩散连接工艺

在应变速率为0.001 s^(-1)、0.005 s^(-1)、0.01 s^(-1),温度为880℃、900℃、920℃、940℃的条件下对TA15钛合金进行了高温拉伸试验,材料在920℃以上、0.005 s^(-1)以下的延伸率可超过500%,具有优异的超塑性能。计算了TA15钛合金的本构方程及在应变速率为0.005 s^(-1)时,不同温度下的应变敏感性指数m值和材料常数K值。通过超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺,采用有限元模拟对双层结构件的壁厚分布进行分析,并获得了气压加载压力–时间曲线。在温度为920℃时,采用预镂空面板制得了局部减重的中空双层结构件,最小壁厚为0.31 mm,采用超声波C扫描对零件的扩散面积进行分析,结果表明,焊合率高于95%。

TA15钛合金超薄中空四层结构超塑成形/扩散连接一体化成形及精度控制

本文采用TA15钛合金热轧薄板作为原材料,探究超薄中空四层结构的超塑成形/扩散连接工艺。首先通过高温拉伸试验对TA15钛合金的超塑变形行为进行研究,获得了超塑成形过程的应力–应变曲线。然后通过有限元软件对薄壁横向局部贯通四层纵筋结构的超塑成形过程进行模拟,对成形过程中壁厚减薄、应力分布等行为进行研究,为后续超塑成形/扩散连接试验提供有效指导。最终成功制备了芯板直立筋良好、三角区宽度仅0.9 mm的超薄中空四层结构,其中面板最大减薄率为18.6%,芯板最大减薄率为55.1%,芯板与面板之间扩散连接区域的焊合率为92.1%~98.5%。TA15钛合金板材的原始显微组织晶粒细小破碎且呈等轴状,平均晶粒尺寸小于5μm,经长时间的超塑变形与热暴露后晶粒显著长大。

SPF/DB超塑成形处理对Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响

采用超塑成形/扩散连接技术对Ti-6Al-4V合金进行处理,研究其对合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,超塑成形/扩散连接后,等轴组织取代了Ti-6Al-4V合金坯料中的双态组织,合金的疲劳极限和抗拉强度降低。

超塑成形设备技术现状与发展

超塑成形技术是一种利用材料的超塑性大变形能力制造薄壁复杂构件的先进成形技术。超塑成形及超塑成形/扩散连接过程中的工艺参数变量多,参数同步性控制要求高,一般在专用超塑成形设备上进行,可更方便实现坯料温度、工模具温度、变形区、变形速度、变形应力等关键参数控制。传统超塑成形设备压制单向性、功能集成度不够、自动化程度低等,远不能满足科研生产的需要。因此,本文重点阐述了近年来出现的多向加载、“气–液”耦合控制、自动上下料3种超塑成形设备新功能。随着先进制造技术、信息技术等的集成和深度融合,超塑成形设备将朝着大型化、清洁化、自动化、多能场复合化及专用化等方向进一步发展,并将进一步改善超塑成形技术的生产效率及应用范围。