发布日期：2026-8-3 9:19:45
引言
随着航空航天工业的发展，对轻质材料和结构的需求不断增加[1-4]，TA15钛合金因其优异的焊接性、热稳定性和超塑性被广泛应用于航空航天结构部件[5-7]。在航空航天轻质承载结构中，多层空心结构是一种典型的轻质高强度构件，具有许多优异的用途[8-10]，与其他多层空心结构相比，四层空心结构具有更高的强度、承载力和吸能性能，适用于高强度和高冲击的应用场景。
为了制造出整体强度大、重量轻且结构复杂的航空结构件，超塑成形/扩散连接(Superplastic form-ing/Diffusion Bonding，SPF/DB)工艺在制造轻量化整体构件方面应用越来越广泛[11]。武永等[12]分析了钛合金薄壁件热变形机理，总结了SPF/DB的工艺过程和工艺缺陷。DUZH等[13]在温度为920℃，目标应变速率为0.001s-1条件下，采用SPF/DB工艺成功制备四层空心结构件，构件在高度方向上厚度分布均匀，晶粒尺寸由5μm增大至10μm，抗压强度为50MPa，最大弯曲载荷达64.4kN。邢宇涵等[14]利用有限元软件分析了TA15钛合金双层中空结构SPF/DB成形过程，在900°C，3MPa条件下成形5400s结果较好，最小壁厚出现在双直立筋圆角区域，减薄率为57.5%。李振伦等[15]通过电流辅助SPH/DB(EectrIcally Assisted-SPF/DB，EA-SPF/DB)组合工艺成功试制了TiBw/TA15复合材料双层中空结构件，表面无明显缺陷，4个型腔区域成形后高度基本一致，贴模率达98.89%。
韩颖杰等[16]从止焊剂和毛料等定位偏差、成形模具和气道间隙尺寸偏差、止焊剂涂覆质量不良和表面准备状态不佳方面提出了消除缺陷的工艺措施，包括提升止焊剂涂覆工艺、改善成形模具结构设计、提高模具制造精度和改进定位协调方式等，试验结果证实这些措施能够有效避免各类缺陷的出现，达到零件各项技术指标。李保永等[17]研究发现应变速率、扩散连接宽度、芯板与蒙皮厚度比和摩擦因数等均影响表面沟槽，在面板与芯板之间施加0.2MPa背压可抑制表面沟槽。
武永等[18]采用MSC.Marc仿真软件的超塑成形控制模块反求出应变速率为0.001s-1时气压加载曲线，使用该曲线制备TA15/Ti2AlNb四层空心舵翼件，由于成形时间太短导致贴模效果一般，基于理论气压加载曲线在0.8MPa气压下增加0.5h调整平台，在1.5MPa气压下增加1h调整平台，最终零件直立筋处成形质量良好，芯板与面板紧密贴合，圆角充填较好。刘杨等[19]在制备TA32钛合金点阵结构时，通过延长气压整形时间从1543s到3575s，将整形压力峰值从20MPa降至2MPa，使结构满足大变形阶段的目标应变速率需求，且在最佳超塑性条件下成形，最终零件满足节点贴模要求，同时保证了设备的稳定性。不同气压加载路径会显著影响TA15钛合金四层空心件成形质量，然而鲜见针对不同气压加载路径下成形件质量的研究。
本文在成形温度930℃、整形压力2MPa下采用有限元分析技术对TA15钛合金四层空心件SPF/DB过程进行模拟仿真，并探究不同气压加载路径对成形件质量的影响。首先利用MSC.Marc有限元软件得到应变速率为0.001s-1时气压P与时间t的理想加载曲线，在此基础上进行符合实际生产条件的气压加载路径拟合，得到多组有限元仿真结果，分析其壁厚分布、贴模度及成形缺陷等，同时开展了四层空心件SPF/DB工艺实验，进行仿真与实验结果对比，成功预测了构件成形质量并优化了成形工艺，得到了四层空心件良好成形的合理气压加载区间，为TA15钛合金气压加载工艺优化和成形制备提供参考。
1、实验及数值模拟
1.1材料
实验材料为宝鸡钛业股份有限公司生产的1mm厚TA15钛合金轧板。图1为TA15钛合金轧板金相组织，其组织分布均匀，晶粒细小。α相的平均晶粒尺寸和含量分别为4.2μm和67.7%，β相的平均晶粒尺寸和含量分别为1.1μm和32.3%。
1.2有限元仿真模型
四层空心件由上下两块芯板、上下两块面板和预制块构成，考虑到结构的对称性，在保证计算精度的情况下对模型进行合理简化，选取模具和坯料的1/2建立有限元模型。图2为四层空心件下半部分模型，其中芯板和面板厚度均为1mm，芯板内部填充19mmx77mm的空心夹层格，扩散连接区域焊接宽度为2mm，芯板及面板压边均为9mm，成形过程中最大成形区域深度为7.8mm，图3为最终成形零件模型的截面图，零件横截面整体呈峰状结构。
芯板及面板采用HyperMesh进行网格划分，板料网格为尺寸为1.5mm的四边形单元。定义面板和芯板为变形体，厚度为1mm，模具和预制块为刚体。变形体自接触、变形体与刚体接触，设置通用摩擦，摩擦因数为0.2。采用Backoften本构方程定义材料在930℃下的高温性能，材料的应变速率敏感指数m值为364，材料强度系数K值为0.48。芯板筋条扩散焊接位置采用位移约束完全固定，芯板及面板表面施加单元面分布力。
在930℃温度下利用MSC.Marc超塑成形模块，设置目标应变速率为0.001s-1，分别在整形压力为1.0MPa和整形时间为6000s、整形压力为2.0MPa和整形时间为9000s时反求解，得到理想气压加载路径1和路径2，在此基础上做符合实际工况的路径拟合如图4所示，共设定了15条不同的气压加载路径。其中，拟合曲线路径3~路径12整形时间均为9000s，包含不同加载速率及不同阶梯的路径加载方式，多阶梯气压加载过程中保压时间均为1800s，气压取0.5MPa。路径6为整形时间为0~9000s，整形气压为0~2MPa的匀速加载过程;路径13~路径15在此基础上延长整形时间至18000s，用来模拟气压加载过慢的氧化过程。
1.3超塑成形/扩散连接实验
采用南京航空航天大学的NUAA-150 SPF/DB机床开展实验，最高工作温度为1000℃，温度控制精度为±5℃，平台尺寸为800mmx1200mm，设有2路气路进出口。实验前采用HF和HNO3溶液对TA15板材毛坯进行酸洗处理。实验后采用线切割切开成形的四层空心件，通过超声壁厚仪测量壁厚分布。同时对扩散焊接接头电解抛光后进行金相观察，电解液的配比为60%甲醇+34%正丁醇+6%高氯酸(体积分数)，抛光参数为30V/0.6A/36s。采用江南MR5000型光学显微镜与Image-Pro Plus 6.0软件对原始板材的晶粒度、相含量及扩散焊接接头的特征相进行等比例测量。
2、结果和讨论
2.1有限元仿真结果
按照图4中气压加载路径7得到芯板超塑成形过程中壁厚云图(图5)，本文成形的四层板零件横截面整体呈峰状结构，板料成形深度最大位置减薄最严重。在图5a所示芯板壁厚分布云图中，沿板料纵向由上到下芯板成形深度逐渐增大，壁厚减薄明显，云图也呈现明显的分区，靠近芯板下端位置胞体成形更为困难。但整个芯板厚度分布均匀，绝大部分成形区域壁厚分布在0.7mm左右，减薄率仅为30%，这表明成形过程具有良好的材料利用率和成形稳定性。沿着图5a中A-A切割得到图5b，可以看到立筋分布完整，芯板贴模良好且表面无明显成形缺陷。同时胞体成形轮廓清晰，胞体间缝隙较小。图5c显示了在芯板整个成形过程中壁厚最薄点出现在预制块的立筋处，这是由于超塑成形过程中芯板与预制块相互作用阻碍了材料流动，且立筋处圆角本身成形较为困难。
沿图5a中A-A路径取点得到图6，图6为不同整形时间下，沿取样方向上取样点Y向(平行于贴模方向)位移图，直观展示了在整形时间0~4500s过程中芯板轮廓变化，即取样点Y向位移值的变化。可以看到芯板中间位置受载面积大，因而发生了更显著的塑性变形，即在相同的整形时间下相较于两侧小面积的胞体的成形位移更大。芯板整体在整形时间为2000s时开始贴模，整形时间为4500s完成贴模，后续整形时间内均在进行局部特征区域的充分填合及扩散焊接，从而确保构件整体几何精度与连接质量。
超塑成形过程中各区域的贴模时间不同，这导致各区域的扩散连接时间不同[18]。在图4不同的气压加载方式下，芯板贴模所需整形时间及贴模时最薄点壁厚如图7所示，结果表明，一次阶梯气压加载方式对于芯板成形有明显的规律性，即气压加载越快芯板贴模所需时间越短，相应的壁厚减薄越明显。在图4中，路径7在路径8基础上做二次拟合，路径3在路径12基础上做4个阶梯加载方式拟合，拟合前后曲线到达预定的整形气压后保压时间相同。在图7中对比拟合前后气压加载的仿真结果，结果表明，在拟合后加载路径下，芯板贴模所需时间更长且壁厚减薄较大，由图8a可知其最终成形时应变也较大。由于路径3相较于路径7在低压阶段存在更多的保压阶段和更大的加载速率，其拟合前后芯板贴模时间加长、壁厚减薄增多和应变增大的效果更明显。
对于不同路径下最薄点B点处壁厚随整形时间变化曲线如图8b所示，结果表明芯板壁厚在整形时间前2000s变化剧烈，随后减薄速率逐渐减小，在整形时间5000s后由于芯板与模具贴合后相互作用，壁厚变化也趋于平缓，最终壁厚都保持在0.2mm左右。
值得注意的是，当采用阶梯式加载时，壁厚的减薄过程也呈现出阶梯状，如路径3和路径9为4次阶梯式气压加载方式，在图8b最薄点壁厚随时间变化曲线中，在每次保压1800s时壁厚都会出现拐点。阶梯状加载方式使壁厚在前期快速减薄的区间明显改善，且最终成形件的贴模效果良好，这意味着对于成形深度较小的SPF/DB工艺，采用阶梯状气压加载方式能够起到防止过度减薄的作用，但过多的阶梯会使保压时间延长，当总的整形时间一定时，阶梯式气压加载方式会使每次气压上升的速率更大，这种快速加载会导致构件最终成形时应变过大。
2.2 TA15钛合金四层空心件 SPF/DB实验结果
四层空心件结构采用TA15耐高温钛合金材料，其中两层芯板和蒙皮均采用厚度为1.0mm的板材。在成形温度为930℃、整形压力2MPa工艺条件下，以拟合路径7气压加载方式采用SPF/DB工艺进行成形。结果成功制备了TA15钛合金四层空心结构，如图9所示，所成形的四层空心结构件表面质量较好，立筋成形完整，无表面沟槽缺陷，贴模程度较好，尺寸精度较高。
利用线切割沿着图9所示实验件横向切开后,可观察到四层空心件内部直立筋结构,如图10a所示，实验件的直立筋成形质量好，面板和芯板贴合紧密,零件的上下对称面需要扩散连接的部位都实现了宏观的连接,芯板三角区宽度仅为1.85mm。采用超声测厚仪器对实验件进行壁厚测量,测量位置取样点如10a所示。由于面板厚度在SPF/DB过程中减薄较少且分布均匀，用超声测厚仪器测量的总厚度减去成形后面板的厚度即为芯板成形后的厚度。在图10b中展示了测量位置仿真与实物壁厚分布情况，可以发现仿真与实物壁厚分布趋势一致，芯板实物最小壁厚为0.39mm，减薄率为61%，仿真壁厚及实物壁厚最大误差为13.8%。
当采用图4中路径10及路径12包含区域之外的气压路径加载时，得到的四层空心实验件出现多种成形缺陷如图11所示。当气压加载过大时会出现局部破裂、气孔撕裂、表面沟槽及局部脱焊等缺陷(图11a~图11d)，通过金相组织观察发现在930℃/4MPa工艺条件下扩散焊接120min时会出现跨晶界晶粒(图12d)，这种晶粒取向差很大时容易引起晶间裂纹使构件疲劳寿命下降。当气压加载过小时会导致圆角成形不到位和局部未焊合等缺陷(图11e和图11f)，在930℃/0.5 MPa及1 MPa工艺条件下扩散焊接120min时金相组织分别如图12a和图12b所示，由于气压加载小且扩散连接时间短，会导致焊合率低同时空洞增生。当增大气压幅值到2MPa时能够使扩散连接充分同时避免上述问题，扩散连接面焊合效果较好(图12c)，无明显空洞，但过长的整形时间容易引起构件表面氧化及内筋弯曲等缺陷，如图11g和图11h所示。在此基础上对图4中不同气压加载路径进行钛合金四层空心件可成形区间划分(图13)，分为气压加载过大、气压适宜和气压过小3个区间。
3、结论
(1)对TA15钛合金四层板空心结构进行了有限元模拟仿真，结果表明采用不同气压加载路径会显著影响芯板贴模时间及壁厚分布。采用一阶气压加载方式时，气压加载越快贴模所需时间越短，壁厚减薄更多且应变更大。
(2)采用多阶梯气压加载方式芯板壁厚变化呈阶梯性，且在低压阶段壁厚减薄较少。在相同整形时间加载到指定整形压力时，采用多阶梯气压加载方式比采用一阶气压加载方式最终贴模成形所需时间更长，最薄点壁厚减薄多且应变大，因此多阶梯加载方式适用于成形深度小，结构简单的零件成形。
(3)基于实验结果得到四层空心件可成形的气压加载区间，采用气压加载适宜区间内曲线加载，成功制备出整体成形效果良好，无沟槽等缺陷的TA15钛合金四层空心结构零件。四层空心件壁厚分布均匀，芯板最小厚度为0.39mm，最大减薄率为61%,其壁厚分布与有限元模拟结果基本吻合,最大误差仅13.8%。
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（注，原文标题：TA15钛合金四层空心件超塑成形_扩散连接气压加载路径及成形缺陷研究_刘太盈）
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