钛合金两层大型构件SPF/DB关键技术问题及质量控制

超塑成形/扩散连接(SPF/DB)是一种低成本、高效益、近无余量的先进制造技术,钛合金两层SPF/DB构件在航空航天领域已获得广泛的应用。当构件尺寸较大且型面复杂时,在扩散连接、模具结构、工艺图形、表面质量等方面,将产生一系列新的影响零件质量的关键技术问题。该文针对技术难点进行数值模拟及工艺分析,根据分析结果采取相应的解决措施,并进行口盖验证试验和性能测试。结果表明,零件各项性能检测均满足设计要求,通过解决关键技术问题实现了对工艺过程及零件质量的精确控制。

钛合金层合梁SPF/DB制造工艺研究

钛合金层合结构因具有较高的损伤容限而受到重视,并成为超塑成形/扩散连接技术应用的一个新方向。通过采用先超塑成形再进行热等静压扩散连接成为整体构件的SPF/DB组合工艺方法,可以实现钛合金层合结构波纹工字梁的制造,其外形尺寸、微观组织和性能等基本能满足设计使用要求,但其工艺参数仍有待通过深入研究进一步优化。

基于MSC.Nastran的钛合金SPF/DB结构优化设计

通过MSC.Nastran软件分析采用SPF/DB工艺制造的典型加筋板结构的稳定性,应用自行开发的优化设计方法对结构参数进行优化求解。软件在VB、VC混合环境下开发,系统界面十分友好,设置有可选的SPF/DB加筋板结构形式数据库,不仅可对钛合金SPF/DB加筋板结构进行快速优化设计,且可非常方便地考虑和分析工艺条件约束对设计结果的影响。软件系统已成功地应用于某型号飞机的结构设计,多个算例及试验证明了软件系统运行的可靠性和有效性,且具有良好的鲁棒性。

钛合金SPF/DB3层结构制件的射线检测

对钛合金SPF/DB 3层结构制件内部成形缺陷产生原因、缺陷类型等进行了分析,提出了合适的检测手段-射线检测技术。通过工业CT、射线照相及实时成像等三种检验技术的对比,得到了零件成形质量的最优检测方案,既保障了零件质量检测,同时也为其它钛合金SPF/DB3层结构制件内部成形质量的检测提供了参考。

区域增强TA15四层结构SPF/DB工艺研究

以区域增强TA15钛合金四层结构为背景,对区域增强TA15四层结构SPF/DB的工艺过程进行了研究。开展了面板预成形和区域增强TA15四层结构的SPF/DB成形试验,成形出区域增强TA15钛合金四层结构件;采用金相显微镜观察分析了成形前后面板、芯板和增强块的微观组织变化,并利用扫描电子显微镜观察面板、芯板以及增强块间扩散连接面的连接情况。

激光焊接对SPF/DBTi-6Al-4V合金疲劳性能的影响

研究了SPF/DBTi-6Al-4V合金及其激光焊接接头静态拉伸性能和疲劳性能,并获得S-N曲线.通过观察组织特征和疲劳断口形貌,分析了激光焊接对SPF/DBTi-6Al-4V合金疲劳性能的影响.结果表明,SPF/DBTi-6Al-4V合金激光焊接接头的抗拉强度略低于母材抗拉强度,而疲劳强度明显低于母材疲劳强度,约为其抗拉强度的40%.SPF/DBTi-6Al-4V合金组织为α+β等轴细晶组织,其焊接接头组织为含α,针状马氏体α′和少量β相的魏氏组织结构.焊接接头组织结构的不均匀性,以及组织的粗大化是导致激光焊接接头疲劳性能下降的重要原因.SPF/DBTi-6Al-4V合金疲劳断裂为塑性断裂,其焊接接头疲劳断裂为准解理断裂,这显著降低激光焊接接头的疲劳性能.而焊接气孔等焊缝表层微小几何不连续缺陷的存在往往成为激光焊接接头疲劳断裂的裂纹源.

无损检测新技术在钛合金SPF/DB结构检测中的应用研究

错位散斑技术是无损检测的一种新技术,为了探索SPF/DB结构检测的有效方法,应用错位散斑技术对钛合金SPF/DB结构进行了检测,得出明显的缺陷特征。从检测敏感度、效率等方面与X射线、超声C进行对比,结果表明,错位散斑技术能够应用于钛合金SPF/DB的结构检测,但仍需在检测精度、可靠性等方面进行深入研究。

错位散斑技术在钛合金SPF/DB结构检测中的应用初探

分析了钛合金SPF/DB结构缺陷及形成原因,介绍了错位散斑技术的基本原理,通过采用错位散斑技术对钛合金SPF/DB结构进行检测试验,能够发现明显的缺陷特征,从检测敏感度、效率等方面与X射线、超声C进行对比,结果表明,错位散斑技术能够应用于钛合金SPF/DB的结构检测,但仍需在检测精度、可靠性等方面进行深入研究。

红外检测在钛合金SPF/DB结构中的应用初探

为了探索SPF/DB结构检测中的有效方法,着重介绍红外无损检测的基本原理及检测技术,应用红外检测技术对钛合金SPF/DB结构进行了检测,结果表明:红外检测技术能够应用于钛合金SPF/DB的结构检测,有必要对该检测方法的有效性和检测结果的可靠性进行深入研究。

热处理对SPF/DB后钛合金组织及性能的影响

针对SPF/DB后TC4钛合金进行固溶时效处理,采用金相组织观察和单向力学性能测试方法,研究热处理参数对超塑成形/扩散连接后钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,TC4钛合金热处理后可以获得初生α相和细针状α+β的混合组织。随着固溶温度的提高,初生α相含量较少,屈服强度和抗拉强度先减小后增大;随着时效温度的提高,针状α+β晶粒尺寸逐渐增大,抗拉强度逐渐减小,塑性逐渐提高。

TA15钛合金四层板结构SPF/DB数值模拟及工艺研究

研究了TA15钛合金四层板结构的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺。通过高温拉伸试验测得TA15合金在920℃和0.001 s^-1变形条件下的伸长率为515.78%,峰值应力为26 MPa,表现出良好的高温超塑性。采用ABAQUS有限元软件分析了TA15钛合金四层板结构在SPF/DB成形过程中芯板等效应变及壁厚变化,并优化了工艺参数。在成形温度920℃、最大加载压力2.5 MPa、成形时间2700 s时,TA15钛合金多层结构成形效果较好,成形精度高,直立加强筋处扩散连接充分。采用模拟优化工艺参数进行工艺试验,试验结果良好,得到最终合格的多层结构TA15钛合金构件。

大型双曲率非等厚TC4钛合金壁板整体SPF/DB成形工艺及优化

针对大型双曲率非等厚TC4钛合金壁板整体SPF/DB成形工艺进行了研究。由于零件尺寸超过1800 mm,型面复杂(双曲率,弦高为330 mm),壁厚分布不均匀,成形后出现了严重开裂(多于6处)、明显缩沟(深度大于1.1 mm)和不贴模等缺陷,且在成形后难于通过化铣精确控制壁厚分布,提出了预变形、化铣、扩散连接和超塑成形的新工艺思路,通过有限元模拟预测了超塑成形后的壁厚分布,验证先化铣再SPF/DB的工艺路线的可行性。并利用自动敷膜和激光刻形等手段提高了隔离剂的涂覆精度,最终在870~930℃、1.0~1.5 MPa的条件下成功整体超塑成形得到壁板零件,并且表面无阶差和缩沟等缺陷,贴模度小于0.3 mm,焊合率超过90%,壁厚分布较为均匀,在口框交叉位置的减薄最为严重,约为母材原始厚度(2 mm)的44.5%,达到了该零件的关键技术指标。

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℃。

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。

扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展

扩散连接技术是一种缺陷少、精密度高的固相连接技术.扩散连接技术在钛合金加工中的应用一定程度上解决了钛合金加工难的问题.在简要介绍扩散连接技术及钛合金加工现状的基础上,综述了扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展,包括钛合金与不锈钢的扩散连接、钛合金与陶瓷材料的扩散连接、TC4(Ti-6Al-4V)钛合金的扩散连接与超塑成型/扩散连接(SPF/DB)以及TA15钛合金的扩散连接.归纳总结了国内外学者的研究成果,对影响扩散连接质量的3个主要因素温度、压力和时间进行了对比分析,为最佳工艺参数的选择提供了参考,指出了目前需要解决的问题和发展方向.

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。

钛合金舵体芯板超塑成形/扩散连接工艺的有限元分析

利用有限元软件ABAQUS建立了激光预焊芯板的钛合金舵体超塑成形有限元模拟模型,并对TC4钛合金舵体芯板的超塑成形工艺进行了数值模拟,获得了优化的压力-时间加载曲线,最大气压为1.2 MPa,压力加载时间约为2400 s。模拟结果还表明,芯板变形过程中不同部位贴模先后顺序不同,但芯板总体厚度分布均匀。TC4钛合金舵体超塑成形的有限元模型分析结果为后续的激光焊接芯板的钛合金舵体超塑成形/扩散连接工艺提供了参考。

超塑性在钛合金压力加工和焊接方面的应用

简要介绍了超塑性在压力加工方面以及相变超塑性在焊接方面的应用。重点介绍了超塑性成形和超塑性成形/扩散焊接技术在钛合金上的应用、超塑成形模具材料选择的原则、以及提高SPF部件性能的措施。

TC4钛合金双层板结构超塑成型/扩散连接工艺

采用先超塑成型(SPF)后扩散连接(DB)工艺对TC4钛合金双层板结构进行了加工;利用有限元软件Marc模拟了此工艺过程,获得了优化的压力-时间曲线,并预测了成型零件的壁厚和型状;并与在热成型机上的试验结果进行了对比。结果表明:最佳超塑成型参数为成型温度900℃、成型压力2.5 MPa、成型时间1 000 s;在超塑成型过程中,板料周边的厚度最薄而中间区域最厚,下面板壁厚分布比上面板均匀,成型后零件壁厚与预测结果吻合较好;最佳扩散连接参数为连接温度900℃、连接压力3 MPa、连接时间80 min;连接部位具有较高的焊合率。