● 摘要
数控热拉伸蠕变复合精确成形（热拉伸蠕变复合成形）是一种采用自阻加热等方法对轻质难成形钛合金薄壁板材或型材坯料进行热拉伸和蠕变的复合成形新技术。该技术作为一种轻量化成形技术，限于诸多科学问题尚不清楚，关键技术问题还处于探索阶段，相对整个技术发展体系和历程而言，还处于初始发展阶段。有效解决钛合金热拉伸蠕变复合成形关键问题对于提高我国航空工业等领域的制造技术水平具有重大的现实意义。本文系统研究了TC4钛板零件的热拉伸蠕变复合成形新技术，实现了钛合金薄壁零件加工技术在纵深方向上的发展应用研究。本文提出了解决难成形薄壁零件制造问题的自阻加热式热拉伸蠕变复合成形新技术，并研制了一套试验原型系统，采用理论解析、数值分析和正交试验相结合的研究方法，对该工艺的装备技术、成形机理、材料本构模型、工艺过程数值分析、工艺试验等方面展开了全方位研究，为此项新技术的工程化应用提供了装备、理论、工艺和仿真依据。本文主要研究工作如下：采用先进的自阻加热方法研制了数控热拉伸蠕变复合成形工艺试验系统。该设备采用高效的自阻加热技术实现了坯料升温的迅速性；采用绝缘垫层方法实现了热拉伸蠕变复合成形系统的电绝缘；加热装置采用箱体结构实现了成形空间和外部空间的隔热性及坯料温度分布的均匀性；采用合适的控制元件和PLC及可控硅的控制方式，实现了热拉伸蠕变复合成形加热温度、加热速度及成形工艺参数等变量的自动控制。设备拉伸载荷100吨，工作温度可达1000℃，为开展钛合金薄壁零件数控热拉伸蠕变复合成形工艺研究提供了试验原型系统。进行了钛合金材料热拉伸蠕变复合成形的力学解析。基于单压试验建立了Kaowool垫层材料的二次增长型指数函数本构方程，运用曲线外推方法确定了模面的补偿厚度，同时，考虑材料变形的缩尺系数，建立了力学解析和有限元模拟的等效模面；分析了宽板在热作用下弯曲变形和包覆—拉伸变形不同阶段的应力应变变化规律和回弹产生机理，得出了回弹计算公式，并对等曲率TC4板材热拉伸蠕变复合成形零件的回弹进行了计算，结果表明：蠕变松弛对减小回弹角贡献显著，这从理论上解析了热拉伸蠕变复合精确成形机理。通过热环境材料性能基础试验建立了钛合金材料的热拉伸变形、蠕变松弛行为的本构方程。通过热单向拉伸试验，研究了TC4钛板在650℃～750℃温度范围内和应变速率在5×10-4～5×10-2s-1范围内的变形行为，建立了TC4材料的Arrhenius型本构模型，为钛合金热成形工艺制订和有限元模拟提供依据。分析了TC4钛板的应力松弛曲线，分别采用显式三次延迟函数和隐式蠕变函数建立了钛合金蠕变松弛行为的高精度本构方程，奠定了理论计算、工艺设计和数值模拟的基础。对钛板零件热拉伸蠕变复合成形过程的数值模拟进行了探索性研究。采用ABAQUS软件，对不同摩擦系数：0、0.1、0.15、0.2和0.3的热拉伸过程进行了变形及回弹模拟，研究结果表明：摩擦系数对回弹的影响不大，故采用0.1作为摩擦系数进行成形过程模拟。以TC4材料700℃的热拉伸蠕变复合成形为例，建立了等效模面、板料和导电夹紧装置的有限元模型，输入基于CATIA的二次开发软件生成的运动轨迹和材料高温性能参数，对热拉伸过程和蠕变过程分别进行了数值模拟，模拟结果表明：蠕变过程显著减小了材料热拉伸成形时产生的内应力，进而减小了回弹，实现了钛板零件的精确成形。建立了温度、拉形速度、补拉率、蠕变时间等关键工艺因素的正交表，进行了TC4钛板的热拉伸蠕变复合成形工艺基础试验（只拉伸、无弯曲）、工艺试验（既拉伸、又弯曲）和工艺对比试验。工艺基础试验结果表明：材料沿拉伸方向的屈服强度提高。工艺试验结果表明：温度是影响回弹角的最大的因素；微观试验表明：变形材料微观组织中相形成的短细长晶粒变成了长细长晶粒，变形材料显微硬度在成形前后变化很小；综合回弹角、屈服强度指标正交分析结果和材料微观组织变化情况，得出了热拉伸蠕变复合成形的优化工艺参数：温度为700℃；拉伸速度为5mm/min；补拉率为2%；保温时间为8Min。最后，采用优化的工艺参数，进行了热拉伸、热拉伸蠕变复合成形两种工艺的对比试验，结果表明：较之原始材料，热拉伸变形材料的屈服强度小幅度下降，复合成形材料的屈服强度小幅度升高；对比两种工艺制件回弹角的理论预测、数值仿真和试验结果，发现它们具有一致性，蠕变过程大大减小了零件的回弹，实现了钛板零件的精确成形，从而验证了解析模型、仿真模型的有效性和科学性。