發布日期：2024-9-23 10:14:39
1、引言
鈦合金具有比強度高、抗蠕變性與耐腐蝕性強、重量輕的優點，廣泛應用于各類航空航天裝備[1]。近年來，人們為制造形狀復雜的鈦合金薄殼件開發了各種熱成形技術，如熱沖壓成形[2-3]、熱氣脹成形[4-5]、超塑性成形[6-7]等，用于制造形狀復雜的鈦合金薄壁件，克服了室溫成形性能差的缺點。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，且處于復雜的平面應力狀態，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，鈦合金環殼作為火箭上面級燃料貯箱[9]是不可或缺的代表性薄殼構件，傳統制造方法采用沖壓技術先將板材沖壓成兩個半管，再將兩個部分焊接，這樣會產生兩道縱向焊縫，嚴重影響其可靠性[10]。因此為了實現鈦合金環殼的整體精準成形，國內外進行了廣泛系統的研究。鈦合金環殼整體成形工藝十分復雜，其受材料性能、管坯徑厚比、彎曲方式與參數、模具形狀、設備穩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環殼易產生內側增厚、外側減薄、截面畸變等問題[13]，只能用于生產小直徑或厚壁鈦合金彎管，因此需要應用熱成形技術。
采用雙層管[14]、填充介質[15]的方法可以抑制薄壁管彎曲成形時的內側增厚起皺、截面變形、外側減薄的問題，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象不明顯，流動應力低，因此彎曲外側的減薄也更加明顯。
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模型，揭示了管坯內壓協調軸向應力對鈦合金薄壁彎管起皺的協同影響，并通過改變內壓與溫度使管坯內側與外側在變形過程中均處于拉-拉應力狀態，解決了傳統成形方法由于管坯內外側應力狀態不同導致內側增厚與起皺、截面畸變、外側減薄等缺陷。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的鈦合金環殼。由于在環殼熱氣脹壓彎成形過程中，熱變形與組織演變耦合，決定了成形構件的精確成形和組織性能[17]。
本文以全尺寸運載火箭上面級貯箱環殼為研究對象，需要通過基于統一黏塑性本構模型的VUMAT子程序仿真確定成形工藝窗口，搭建大尺寸TC4鈦合金環殼充氣熱壓彎成形專用裝置，實現直徑為500mm、徑厚比為250的3m級大尺寸鈦合金環殼組段整體成形。
2、鈦合金環殼熱氣脹壓彎工藝實驗
如圖2a所示的鈦合金環殼作為大尺寸薄殼件的典型構件，環殼截面直徑為500mm、壁厚為2mm、環殼中徑為2692mm，整個環殼分為8段，每段彎曲角度為45°。為成形該構件，本研究搭建了鈦合金環殼充氣熱壓彎實驗裝置，如圖2b、圖2c所示，該裝置由壓力控制系統、氣壓控制系統、管坯溫度控制系統、成形模具以及機械牽引系統構成，壓力機起到提供穩定足夠的合模力的作用。氣壓控制系統為加壓與保壓過程中管坯內部提供精確的壓強與加壓速率。管坯溫度控制系統利用感應加熱為管坯提供穩定的溫度。機械 牽引系統能夠實現管坯從儲料架到感應加熱系統再到模具的快速轉移，以免管坯熱量散失過多，影響實驗結果。這套實驗裝置滿足鈦合金環殼充氣熱壓彎的實驗要求，可以有效開展相關工藝實驗。
得到鈦合金環殼后需對其尺寸精度、微觀組織與力學性能進行測量與驗證。采用三維掃描得到點云數據，與三維數模進行對比分析得出兩者差異結果，得到該零件的成形精度。之后對成形后的鈦合金環殼進行超聲波測厚，在不同截面中心位置每22.5°測量一個位置點，每個位置點進行3次重復性測量，以排除偶然誤差，取其平均值作為壁厚數值。
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方法》進行設計，平行段長度為60mm、標距段長度為50mm、寬度為12.5mm、平行段與試樣夾頭端過渡圓角半徑為25mm。拉伸試樣長度方向為鈦合金環殼軸向壓彎方向。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力狀態，內側增厚起皺、外側減薄破裂、截面畸變的缺陷共存，需要對熱成形過程進行精確仿真來指導工藝。環殼零件以彎曲角度為22.5°的中心截面為對稱面，取1/2模型建立如圖3所示的仿真，環殼仿真模型共分為上模、下模、鋼管、鈦管四個零件組成。仿真參數條件為溫度650～850℃、支撐內壓1.5～6MPa、壓彎時間5～30s、模具溫度25～850℃、外套鋼管厚度5～15mm。
3.2不同成形工藝參數對成形質量的影響
薄壁管材彎曲時，中心截面為環殼截面畸變最大處，對鈦合金環殼的尺寸精度影響最大，因此采用彎曲內側貼模度與彎曲外側貼模度描述環殼的貼模程度，貼模度越大則越貼模，反之則越不貼模，貼模度δ的計算方法如式（1）所示。
式中，R為TC4環殼的外半徑，其值為250mm。（x0,y0）為模具輪廓坐標，（x1,y1）為環殼輪廓坐標。
為定量探究成形工藝參數對于貼模度的影響，圖4給出了不同支撐內壓、管坯溫度、成形速度與外層管壁厚的仿真云圖。同時，鈦管彎曲內側與彎曲外側沿鈦管軸向壁厚變化的定量統計如圖5所示，壁厚節點數0處為中心截面，節點數50處為鈦管兩端，壁厚變化率為負時代表壁厚減薄率，為正時代表壁厚增厚率。
可以看出，提高支撐內壓可以顯著提升鈦管彎曲外側的貼模度，降低鈦管中心截面的畸變，提高貼模度，并改善彎曲內側增厚，但隨著支撐內壓的升高，彎曲外側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，并改善彎曲內側增厚，但隨著管坯溫度的升高，彎曲外側的減薄率也隨之有較大提升。壓彎時間為20s時鈦管壓彎外側中心點到下模型腔底部中心點的距離最小，為18.39mm，此時貼模度為92.64%，管坯貼模程度最高。壓彎時間的提升可 以略微改善鈦管彎曲內側壁厚的增厚情況，但對鈦管彎曲外側的減薄基本無影響。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，內層鈦管彎曲內側的增厚率降低，彎曲外側的減薄率提升，且對彎曲外側減薄的影響更大。
3.3鈦合金環殼熱壓彎成形工藝窗口
對鈦合金環殼貼模度與彎曲外側壁厚減薄率這兩個重要指標的綜合影響最大的參數為管坯溫度與支撐內壓，且參數互相耦合。為能準確指導鈦合金環殼熱壓彎成形工藝的參數選擇，建立了如圖6所示的工藝窗口圖，用于進行溫度與支撐內壓的選擇。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，最佳的成形參數在溫度為650～850℃、支撐內壓為2.5～6MPa的區間內。考慮到過高的支撐內壓會造成實驗存在危險，且對密封要求更高，因此選擇管坯溫度850℃、支撐內壓2.8MPa作為實驗參數。
4、結果與討論
4.1環殼尺寸精度與力學性能
使用搭建的裝置成功完成了鈦合金環殼熱壓彎實驗，制造出圖7a中的鈦合金環殼，環殼中徑：2692mm、截面直徑：500mm、單段彎曲角度40°、壁厚：2mm、支撐內壓：2.8MPa、壓彎溫度：850℃，測量的三維掃描模型與工件模型對比如圖7b所示，實際工件中徑尺寸與目標尺寸相差11mm。
測試了成形環殼的力學性能，拉伸測試結果如圖7c、圖7d所示，0°、90°、180°、270°位置試樣的室溫抗拉強度分別為913.61MPa、912.84MPa、909.40MPa、910.89MPa，與原始試樣的抗拉強度898.05MPa相比無明顯變化，且極限應變因管坯加熱后冷卻的退火略有提升，因此可以認為環殼強度在加熱壓彎后相比原始材料性能沒有明顯變化。
4.2環殼仿真驗證
壁厚分布仿真預測與結果對比如圖8a所示，鈦合金環殼中心截面環向厚度在彎曲內側發生減薄，而彎曲外側發生增厚。鈦合金環殼內側增厚和外部減薄主要發生在彎曲內外側中心截面處，這主要是因為在彎曲發生時鈦合金環殼彎曲內側受到壓應力作用而導致發生增厚，彎曲外側主要受到拉應力作用而導致發生減薄，環殼彎曲內側最大增厚率為11.5%、環殼彎曲外側最大減薄率為8.3%。對比了基于VUMAT子程序的仿真與實驗預測精度，經計算得出仿真精度為96.12%，證明了基于統一黏塑性本構模型建立的VUMAT子程序可以精確預測鈦合金薄殼件的宏觀流動行為。對完成的環殼部分切割試樣進行EBSD分析，取樣位置與拉伸試樣位置相同，實驗統計與VUMAT子程序仿真結果如圖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°分別為彎曲內側與彎曲外側，應變較大導致材料位錯密度提高，使晶粒細化。仿真
驗證中SDV4為平均晶粒尺寸，預測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%，證明了基于統一黏塑性本構模型建立的VUMAT子程序可以精確預測鈦合金薄殼件的微觀晶粒尺寸變化。
5、結束語
針對航天火箭上面級鈦合金燃料貯箱環殼結構的整體成形難題，本文提出了鈦合金環殼熱氣脹壓彎成形工藝，圍繞基于本構模型的VUMAT子程序仿真，系統性研究了不同工藝參數對TC4鈦合金環殼成形精度的影響，制造了大尺寸TC4鈦合環殼。主要結論如下：
a.開發了內置子程序嵌入材料本構模型的鈦合金環殼熱壓彎仿真模型，研究了不同工藝參數下鈦合金環殼熱壓彎的壁厚、貼模度變化規律。以環殼壁厚減薄率與截面最大變形率為判據，建立了支撐內壓與管坯溫度的熱壓彎工藝窗口圖，確定出管坯溫度850℃、支撐內壓為2.8MPa的最優熱壓彎工藝參數。
b.成功制造了全尺寸TC4鈦合金環殼，環殼中徑為2692mm、截面直徑為500mm、壁厚2為mm、徑厚比高達250、最大減薄率為8.3%，抗拉強度與平均晶粒尺寸基本無變化，均優于設計指標。
c.建立了實驗條件下的子程序仿真，成功預測了TC4鈦合金環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確地指導工藝。
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