發(fā)布日期：2024-9-23 10:14:39
1、引言
鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗蠕變性與耐腐蝕性強(qiáng)、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類航空航天裝備[1]。近年來，人們?yōu)橹圃煨螤顝?fù)雜的鈦合金薄殼件開發(fā)了各種熱成形技術(shù)，如熱沖壓成形[2-3]、熱氣脹成形[4-5]、超塑性成形[6-7]等，用于制造形狀復(fù)雜的鈦合金薄壁件，克服了室溫成形性能差的缺點(diǎn)。然而，鈦合金板材熱成形過程中宏觀變形與微觀組織演化耦合，且處于復(fù)雜的平面應(yīng)力狀態(tài)，使得部件的成形精度和微觀組織性能難以控制[8]。
在各類鈦合金薄殼件中，鈦合金環(huán)殼作為火箭上面級(jí)燃料貯箱[9]是不可或缺的代表性薄殼構(gòu)件，傳統(tǒng)制造方法采用沖壓技術(shù)先將板材沖壓成兩個(gè)半管，再將兩個(gè)部分焊接，這樣會(huì)產(chǎn)生兩道縱向焊縫，嚴(yán)重影響其可靠性[10]。因此為了實(shí)現(xiàn)鈦合金環(huán)殼的整體精準(zhǔn)成形，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛系統(tǒng)的研究。鈦合金環(huán)殼整體成形工藝十分復(fù)雜，其受材料性能、管坯徑厚比、彎曲方式與參數(shù)、模具形狀、設(shè)備穩(wěn)定性等多種因素影響。常見的彎管整體成形方法主要有壓彎成形、推彎成形以及繞彎成形[11-12]等方法。使用上述方法成形時(shí)環(huán)殼易產(chǎn)生內(nèi)側(cè)增厚、外側(cè)減薄、截面畸變等問題[13]，只能用于生產(chǎn)小直徑或厚壁鈦合金彎管，因此需要應(yīng)用熱成形技術(shù)。
采用雙層管[14]、填充介質(zhì)[15]的方法可以抑制薄壁管彎曲成形時(shí)的內(nèi)側(cè)增厚起皺、截面變形、外側(cè)減薄的問題，然而，由于鈦合金的延展性差、變形抗力大，需采用熱彎曲工藝，填充液體等填充介質(zhì)不適用于高溫工藝，且由于鈦合金在熱成形條件下的硬化現(xiàn)象不明顯，流動(dòng)應(yīng)力低，因此彎曲外側(cè)的減薄也更加明顯。
為解決以上問題，付坤寧等[16]提出了一種基于熱氣脹成形工藝的大尺寸薄壁鈦合金環(huán)殼熱氣脹壓彎工藝，如圖1a所示。該工藝通過深入分析熱氣脹壓彎的力學(xué)模型，揭示了管坯內(nèi)壓協(xié)調(diào)軸向應(yīng)力對(duì)鈦合金薄壁彎管起皺的協(xié)同影響，并通過改變內(nèi)壓與溫度使管坯內(nèi)側(cè)與外側(cè)在變形過程中均處于拉-拉應(yīng)力狀態(tài)，解決了傳統(tǒng)成形方法由于管坯內(nèi)外側(cè)應(yīng)力狀態(tài)不同導(dǎo)致內(nèi)側(cè)增厚與起皺、截面畸變、外側(cè)減薄等缺陷。最終成功制造了如圖1b所示的直徑為203mm、壁厚為1.5mm、彎曲半徑為495mm的鈦合金環(huán)殼。由于在環(huán)殼熱氣脹壓彎成形過程中，熱變形與組織演變耦合，決定了成形構(gòu)件的精確成形和組織性能[17]。
本文以全尺寸運(yùn)載火箭上面級(jí)貯箱環(huán)殼為研究對(duì)象，需要通過基于統(tǒng)一黏塑性本構(gòu)模型的VUMAT子程序仿真確定成形工藝窗口，搭建大尺寸TC4鈦合金環(huán)殼充氣熱壓彎成形專用裝置，實(shí)現(xiàn)直徑為500mm、徑厚比為250的3m級(jí)大尺寸鈦合金環(huán)殼組段整體成形。
2、鈦合金環(huán)殼熱氣脹壓彎工藝實(shí)驗(yàn)
如圖2a所示的鈦合金環(huán)殼作為大尺寸薄殼件的典型構(gòu)件，環(huán)殼截面直徑為500mm、壁厚為2mm、環(huán)殼中徑為2692mm，整個(gè)環(huán)殼分為8段，每段彎曲角度為45°。為成形該構(gòu)件，本研究搭建了鈦合金環(huán)殼充氣熱壓彎實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2b、圖2c所示，該裝置由壓力控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)、管坯溫度控制系統(tǒng)、成形模具以及機(jī)械牽引系統(tǒng)構(gòu)成，壓力機(jī)起到提供穩(wěn)定足夠的合模力的作用。氣壓控制系統(tǒng)為加壓與保壓過程中管坯內(nèi)部提供精確的壓強(qiáng)與加壓速率。管坯溫度控制系統(tǒng)利用感應(yīng)加熱為管坯提供穩(wěn)定的溫度。機(jī)械 牽引系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)管坯從儲(chǔ)料架到感應(yīng)加熱系統(tǒng)再到模具的快速轉(zhuǎn)移，以免管坯熱量散失過多，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這套實(shí)驗(yàn)裝置滿足鈦合金環(huán)殼充氣熱壓彎的實(shí)驗(yàn)要求，可以有效開展相關(guān)工藝實(shí)驗(yàn)。
得到鈦合金環(huán)殼后需對(duì)其尺寸精度、微觀組織與力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量與驗(yàn)證。采用三維掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與三維數(shù)模進(jìn)行對(duì)比分析得出兩者差異結(jié)果，得到該零件的成形精度。之后對(duì)成形后的鈦合金環(huán)殼進(jìn)行超聲波測(cè)厚，在不同截面中心位置每22.5°測(cè)量一個(gè)位置點(diǎn)，每個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行3次重復(fù)性測(cè)量，以排除偶然誤差，取其平均值作為壁厚數(shù)值。
在鈦合金彎管不同位置處切取拉伸試件，拉伸試件參考《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行設(shè)計(jì)，平行段長(zhǎng)度為60mm、標(biāo)距段長(zhǎng)度為50mm、寬度為12.5mm、平行段與試樣夾頭端過渡圓角半徑為25mm。拉伸試樣長(zhǎng)度方向?yàn)殁伜辖瓠h(huán)殼軸向壓彎方向。EBSD試樣取樣位置與拉伸試樣位置相同。
3、環(huán)殼充氣熱壓彎仿真
3.1仿真模型建立
鈦合金制造難度高，熱成形過程中高溫與氣壓共同作用，宏觀變形與微觀組織演變耦合，該薄殼件變形過程中處于平面應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)側(cè)增厚起皺、外側(cè)減薄破裂、截面畸變的缺陷共存，需要對(duì)熱成形過程進(jìn)行精確仿真來指導(dǎo)工藝。環(huán)殼零件以彎曲角度為22.5°的中心截面為對(duì)稱面，取1/2模型建立如圖3所示的仿真，環(huán)殼仿真模型共分為上模、下模、鋼管、鈦管四個(gè)零件組成。仿真參數(shù)條件為溫度650～850℃、支撐內(nèi)壓1.5～6MPa、壓彎時(shí)間5～30s、模具溫度25～850℃、外套鋼管厚度5～15mm。
3.2不同成形工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響
薄壁管材彎曲時(shí)，中心截面為環(huán)殼截面畸變最大處，對(duì)鈦合金環(huán)殼的尺寸精度影響最大，因此采用彎曲內(nèi)側(cè)貼模度與彎曲外側(cè)貼模度描述環(huán)殼的貼模程度，貼模度越大則越貼模，反之則越不貼模，貼模度δ的計(jì)算方法如式（1）所示。
式中，R為TC4環(huán)殼的外半徑，其值為250mm。（x0,y0）為模具輪廓坐標(biāo)，（x1,y1）為環(huán)殼輪廓坐標(biāo)。
為定量探究成形工藝參數(shù)對(duì)于貼模度的影響，圖4給出了不同支撐內(nèi)壓、管坯溫度、成形速度與外層管壁厚的仿真云圖。同時(shí)，鈦管彎曲內(nèi)側(cè)與彎曲外側(cè)沿鈦管軸向壁厚變化的定量統(tǒng)計(jì)如圖5所示，壁厚節(jié)點(diǎn)數(shù)0處為中心截面，節(jié)點(diǎn)數(shù)50處為鈦管兩端，壁厚變化率為負(fù)時(shí)代表壁厚減薄率，為正時(shí)代表壁厚增厚率。
可以看出，提高支撐內(nèi)壓可以顯著提升鈦管彎曲外側(cè)的貼模度，降低鈦管中心截面的畸變，提高貼模度，并改善彎曲內(nèi)側(cè)增厚，但隨著支撐內(nèi)壓的升高，彎曲外側(cè)的減薄率也隨之顯著提升。提升管坯初始溫度可以較大提升鈦管彎曲外側(cè)的貼模度，降低鈦管中心截面的畸變，提高貼模度，并改善彎曲內(nèi)側(cè)增厚，但隨著管坯溫度的升高，彎曲外側(cè)的減薄率也隨之有較大提升。壓彎時(shí)間為20s時(shí)鈦管壓彎外側(cè)中心點(diǎn)到下模型腔底部中心點(diǎn)的距離最小，為18.39mm，此時(shí)貼模度為92.64%，管坯貼模程度最高。壓彎時(shí)間的提升可 以略微改善鈦管彎曲內(nèi)側(cè)壁厚的增厚情況，但對(duì)鈦管彎曲外側(cè)的減薄基本無影響。外套鋼管壁厚越薄，成形后的鈦管貼模度越好且鈦管中心截面不圓度越低。
但隨著外層鋼管壁厚的減薄，內(nèi)層鈦管彎曲內(nèi)側(cè)的增厚率降低，彎曲外側(cè)的減薄率提升，且對(duì)彎曲外側(cè)減薄的影響更大。
3.3鈦合金環(huán)殼熱壓彎成形工藝窗口
對(duì)鈦合金環(huán)殼貼模度與彎曲外側(cè)壁厚減薄率這兩個(gè)重要指標(biāo)的綜合影響最大的參數(shù)為管坯溫度與支撐內(nèi)壓，且參數(shù)互相耦合。為能準(zhǔn)確指導(dǎo)鈦合金環(huán)殼熱壓彎成形工藝的參數(shù)選擇，建立了如圖6所示的工藝窗口圖，用于進(jìn)行溫度與支撐內(nèi)壓的選擇。從圖中可以看出，為滿足截面最大變形率與最大減薄率的要求，最佳的成形參數(shù)在溫度為650～850℃、支撐內(nèi)壓為2.5～6MPa的區(qū)間內(nèi)�？紤]到過高的支撐內(nèi)壓會(huì)造成實(shí)驗(yàn)存在危險(xiǎn)，且對(duì)密封要求更高，因此選擇管坯溫度850℃、支撐內(nèi)壓2.8MPa作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
4、結(jié)果與討論
4.1環(huán)殼尺寸精度與力學(xué)性能
使用搭建的裝置成功完成了鈦合金環(huán)殼熱壓彎實(shí)驗(yàn)，制造出圖7a中的鈦合金環(huán)殼，環(huán)殼中徑：2692mm、截面直徑：500mm、單段彎曲角度40°、壁厚：2mm、支撐內(nèi)壓：2.8MPa、壓彎溫度：850℃，測(cè)量的三維掃描模型與工件模型對(duì)比如圖7b所示，實(shí)際工件中徑尺寸與目標(biāo)尺寸相差11mm。
測(cè)試了成形環(huán)殼的力學(xué)性能，拉伸測(cè)試結(jié)果如圖7c、圖7d所示，0°、90°、180°、270°位置試樣的室溫抗拉強(qiáng)度分別為913.61MPa、912.84MPa、909.40MPa、910.89MPa，與原始試樣的抗拉強(qiáng)度898.05MPa相比無明顯變化，且極限應(yīng)變因管坯加熱后冷卻的退火略有提升，因此可以認(rèn)為環(huán)殼強(qiáng)度在加熱壓彎后相比原始材料性能沒有明顯變化。
4.2環(huán)殼仿真驗(yàn)證
壁厚分布仿真預(yù)測(cè)與結(jié)果對(duì)比如圖8a所示，鈦合金環(huán)殼中心截面環(huán)向厚度在彎曲內(nèi)側(cè)發(fā)生減薄，而彎曲外側(cè)發(fā)生增厚。鈦合金環(huán)殼內(nèi)側(cè)增厚和外部減薄主要發(fā)生在彎曲內(nèi)外側(cè)中心截面處，這主要是因?yàn)樵趶澢l(fā)生時(shí)鈦合金環(huán)殼彎曲內(nèi)側(cè)受到壓應(yīng)力作用而導(dǎo)致發(fā)生增厚，彎曲外側(cè)主要受到拉應(yīng)力作用而導(dǎo)致發(fā)生減薄，環(huán)殼彎曲內(nèi)側(cè)最大增厚率為11.5%、環(huán)殼彎曲外側(cè)最大減薄率為8.3%。對(duì)比了基于VUMAT子程序的仿真與實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)精度，經(jīng)計(jì)算得出仿真精度為96.12%，證明了基于統(tǒng)一黏塑性本構(gòu)模型建立的VUMAT子程序可以精確預(yù)測(cè)鈦合金薄殼件的宏觀流動(dòng)行為。對(duì)完成的環(huán)殼部分切割試樣進(jìn)行EBSD分析，取樣位置與拉伸試樣位置相同，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)與VUMAT子程序仿真結(jié)果如圖8b所示，0°、90°、180°、270°、原始板材的平均晶粒尺寸分別為1.73μm、1.77μm、1.68μm、1.70μm、1.61μm。相比原始板材，四個(gè)位置的晶粒尺寸均有增加，這是由于隨著管坯溫度的升高，晶粒隨之長(zhǎng)大，而0°、180°與90°、270°的位置相比晶粒尺寸有所降低是由于0°、180°分別為彎曲內(nèi)側(cè)與彎曲外側(cè)，應(yīng)變較大導(dǎo)致材料位錯(cuò)密度提高，使晶粒細(xì)化。仿真
驗(yàn)證中SDV4為平均晶粒尺寸，預(yù)測(cè)0°、90°、180°、270°位置平均晶粒尺寸分別為1.76μm、1.78μm、1.72μm、1.78μm，誤差為2.35%，證明了基于統(tǒng)一黏塑性本構(gòu)模型建立的VUMAT子程序可以精確預(yù)測(cè)鈦合金薄殼件的微觀晶粒尺寸變化。
5、結(jié)束語
針對(duì)航天火箭上面級(jí)鈦合金燃料貯箱環(huán)殼結(jié)構(gòu)的整體成形難題，本文提出了鈦合金環(huán)殼熱氣脹壓彎成形工藝，圍繞基于本構(gòu)模型的VUMAT子程序仿真，系統(tǒng)性研究了不同工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金環(huán)殼成形精度的影響，制造了大尺寸TC4鈦合環(huán)殼。主要結(jié)論如下：
a.開發(fā)了內(nèi)置子程序嵌入材料本構(gòu)模型的鈦合金環(huán)殼熱壓彎仿真模型，研究了不同工藝參數(shù)下鈦合金環(huán)殼熱壓彎的壁厚、貼模度變化規(guī)律。以環(huán)殼壁厚減薄率與截面最大變形率為判據(jù)，建立了支撐內(nèi)壓與管坯溫度的熱壓彎工藝窗口圖，確定出管坯溫度850℃、支撐內(nèi)壓為2.8MPa的最優(yōu)熱壓彎工藝參數(shù)。
b.成功制造了全尺寸TC4鈦合金環(huán)殼，環(huán)殼中徑為2692mm、截面直徑為500mm、壁厚2為mm、徑厚比高達(dá)250、最大減薄率為8.3%，抗拉強(qiáng)度與平均晶粒尺寸基本無變化，均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。
c.建立了實(shí)驗(yàn)條件下的子程序仿真，成功預(yù)測(cè)了TC4鈦合金環(huán)殼熱氣脹壓彎成形后的壁厚分布與平均晶粒尺寸，證明了該子程序可以在宏微觀層面準(zhǔn)確地指導(dǎo)工藝。
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