小序

“一代质料, 一代飞机”, 是天下航空生长史的真实写照, 一百多年来, 质料与飞机在相互推动下一直生长。。。。。。。 现阶段, 随着人们对飞机使用性能、 清静性能以及承载能力要求的一直提高, 飞机机体结构质料的选用也由最初的木、 布结构, 生长到铝合金、 钛合金及复合质料等与功效需求亲近相关的相互增进、 优势互补的阶段。。。。。。。 相较其它金属质料, 钛合金具有密度低、 强度高、 耐崎岖温顺耐侵蚀性强以及与复合质料相容性好等优点, 具有其它金属不可替换的作用。。。。。。。 钛合金自 20 世纪 50 年月首次在飞机机身上应用以来, 其应用规模获得了极大生长, 在飞机及发念头上的用量一直增添[1-2]。。。。。。。 现有资料批注, 接纳钛合金取代铝合金可使航行器外貌耐热温度由 200℃提高到 350~400℃, 使用钛合金取代不锈钢可以使发念头重量减轻 40~50%。。。。。。。 因此, 钛合金已成为新一代飞机设计中的首选质料, 其用量已经成为权衡飞机用材先进性水平的主要标记之一[3-4]。。。。。。。

“一代质料, 一代工艺”, 随着钛合金等新质料的泛起, 一方面质料性能及功效指标一直提高, 另一方面也给零部件的高质量制造带来了较浩劫度,需要多工艺、 多要领的复合, 来获得简单工艺所无法抵达的性能, 同时还要只管做到节约能源、 降低本钱。。。。。。。 钛合金中尤其是难变形钛合金, 具有伸长率低、 变形抗力大、 弹性模量小、 室温变形能力差以及成形零件回弹大等弱点, 导致成形质量和尺寸精度难以包管[5-6]。。。。。。。 为了提高钛合金的成形性能, 一样平常多接纳引入一定形式能量的辅助成形方法, 如引入温度场的热成形、 引入电场或磁场的电脉冲成形和电磁成形等方法[7-9]。。。。。。。 其中, 热成形是钛合金主要成形要领, 成形历程中将坯料加热到一定温度,使用质料高温软化效应提高塑性变形能力, 并且能够有用镌汰回弹。。。。。。。 现有资料显示, 在航空、 航天等领域中, 80%以上的钛合金钣金零件均接纳热成形制造, 如飞机的蒙皮、 隔热框、 整流罩以及发念头冷端部件等[10]。。。。。。。

超声振动辅助成形是对被加工质料 (或模具)施加一定偏向、 一定频率和能量的超声振动, 使用高频振动能量辅助完成种种塑性成形工艺。。。。。。。 与古板成形相比, 超声振动辅助成形历程会爆发两种特特效应, 一种是超声振动对试件内部应力爆发影响的体积效应, 另一种是超声振动对模具与坯料之间摩擦爆发影响的外貌效应。。。。。。。 使用超声振动的这两种特特效应, 不但可以降低质料的成形力, 减小模具与试件之间的摩擦因数, 同时还可以提高质料的成形性能和成形质量, 也是提高钛合金塑性变形能力的一种较好要领[11-14]。。。。。。。 如 ANDERHASTENM 等[15] 举行的 TC4 钛合金超声振动辅助拉伸实验效果批注, 施加超声振动后质料的伸长率提高了 13%; 何玉石等[16]举行的 TA1 钛箔超声振动辅助拉伸实验效果批注, 施 加 超 声 振 动 后 TA1 钛 箔 伸 长 率 提 高 了14. 13%。。。。。。。 高铁军等[17] 对 TA2 钛合金薄壁圆筒件超声振动拉深工艺举行了研究, 效果批注, 超声振动的施加可以有用抑制成形试件回弹, 从而有助于钛合金拉深件成形质量的提高。。。。。。。

上述研究显示, 通过温度和超声振动等能量形式均可以提高钛合金的塑性变形能力和成形质量,若是将这两种能场举行复合, 简称复合能场 (Com-pound Energy Field, CEF), 也就是说在一定温度条件下施加超声振动, 将是进一步提高钛合金塑性变形能力和成形质量的有用途径。。。。。。。 本文从温度/ 超声复合能场辅助对钛合金力学性能、 微观组织、 成形历程中界面摩擦以及典范零件成形影响等方面举行了简要先容, 并对其生长远景举行了总结和展望。。。。。。。

1、 复合能场成形原理及装置

图 1 为温度/ 超声复合能场辅助成形原理及装置简图。。。。。。。 复合能场成形在古板热成形基础上, 通过调解模具结构、 增添超声振动辅助工装即可实现。。。。。。。 成形装置主要由超声振动系统、 温度控制系统及成形模具 3 部分组成, 其中超声振动系统提供成形所需的差别频率和功率的振动能场, 温度控制系统提供成形所需的温度场, 成形模具主要包管成形零件的质量和精度。。。。。。。

相较量而言, 该要领具有操作简朴、 可实现性强等优点, 尤其是近年来随着超声爆发器功率的一直提高, 可提供能量一直增大, 以及高温条件下可使质料软化效果增强, 这种要领不但可用于微/ 小尺寸零件, 还可用于中/ 大尺寸零件的冲裁、 弯曲、 胀形及拉深等。。。。。。。 若是对结构装置举行适当刷新, 还可用于旋压、 渐进成形等历程[18-20]。。。。。。。

2 、复合能场对钛合金力学性能的影响

体积效应是超声振动辅助成形的典范特征, 宏观上体现为质料的流动应力降低、 加工硬化削弱,这种征象与质料温度场下的软化效果基本一致, 因此与温度场复合其效果更好。。。。。。。 图 2 为差别温度/ 超声复合能场下 TC4 钛合金应力-应变曲线 (其中所接纳的超声振动频率为 20kHz, 以下相同) [21]。。。。。。。 由图可知, 当温度凌驾 500℃ 时钛合金流动应力降低,伸长率增大, 泛起出显着的 “高温软化” 征象。。。。。。。 从图 2 中还可以看出, 在相同温度条件下施加超声振动后, 质料的流动应力进一步降低, 同时在适当超声能量条件下质料的可变形能力增大。。。。。。。 从而说明超声振动能场与温度场复合历程不但增强了质料内部原子活性, 对证料内部及变形机制也有较大影响,因此在适当条件下 TC4 钛合金塑性变形能力所有提高。。。。。。。

同时, 由于钛合金为密排六方晶格结构, 滑移系较少、 对称性较低, 板材轧制历程中具有极大织构倾向, 导致板材在差别轧制偏向具有很强的各向异性, 影响板材匀称变形能力和成形零件质量。。。。。。。 图3 为复合能场下 TC4 钛合金差别轧制偏向下拉伸试件的应力-应变曲线。。。。。。。 从图中可以看出, 沿差别轧制偏向的强度和变形能力相差较大, 其中 0°偏向最好、 90°次之、 45°最差; 但当与超声振动能场复合后, 关于 45°和 90°拉伸试件, 在强度降低的同时,应变的提高幅度更为显着, 有用抑制了钛合金的各向异性, 从而也为重大零件匀称性变形提供了一定条件[22]。。。。。。。

另外, 热成形历程加载速率也是影响钛合金板材成形性能的主要因素之一。。。。。。。 通过温度/ 超声/ 加载速率的比照研究发明, 关于钛合金的塑性变形能力,在高温条件下, 相较量速率而言, 超声振动对伸长率的影响更大, 也就是说通过超声振动辅助能场可以实现在较低拉伸速率条件下获得较大的伸长率,如图 4 所示[23]。。。。。。。 另外对 TC1、 TC2 钛合金的研究也有类 似 结 果[24]。。。。。。。 此 外, 崔 子 扬[25] 对 高 温 条 件 下TC4 钛合金超声振动辅助应力松懈历程举行了研究,效果批注超声振动应力叠加和超声软化效应能够显著加速应力松懈历程。。。。。。。

针对温度/ 超声复合能场成形历程的研究, 还需要思量其对钛合金微观组织的影响, 若是变形历程中微观组织转变较大, 尤其是粗大晶粒的爆发将会影响试件的使用性能。。。。。。。 图 5[22] 和图 6 划分为复合能场下 TC4 钛合金拉伸试件金相组织剖析和断口扫描。。。。。。。 从图 5 中可以看出, 与简单温度场相较量, 统一温度下的复合能场对 TC4 钛合金的微观组织影响不大。。。。。。。 从图 6 中可以看出, 简单温度场条件下 TC4钛合金的断裂方法属于穿晶韧窝状断裂, 而复合能场条件下 TC4 钛合金断裂后的韧窝尺寸显着增大,深度也显着增添, 从而进一步说明晰 “质料软化”征象的增强[22]。。。。。。。

3 、复合能场对钛合金与模具间摩擦的影响

板材成形历程中由于坯料与模具外貌的高低不平, 在接触压力作用下会爆发摩擦, 不但会使钣金件或模具外貌泛起划伤、 划痕甚至报废, 还会影响坯料应力漫衍、 变形纪律以及工艺可行性。。。。。。。 因此,摩擦与起皱、 破碎等一样是钣金成形历程中不可忽视的问题。。。。。。。 大大都情形下, 一样平常是通过提高模具外貌质量从而减小坯料与模具之间的摩擦, 包管坯料在变形历程充分流动[26]。。。。。。。

外貌效应是超声振动辅助成形的另一典范特征,一方面超声振动辅助能场会使坯料与模具之间爆发较大动能, 泛起瞬间接触和疏散, 使润滑介质更容易进入并贮保存接触界面中, 从而使摩擦因数和摩擦力降低; 另一方面, 超声振动还会引起坯料与模具之间的相对速率增添、 局部热效应增强, 减小下场 部 粘 焊 现 象, 也 会 使 摩 擦 因 数 和 摩 擦 力 降低[27-28]。。。。。。。 而在高温条件下, 一方面坯料与模具的强度和刚度有所降低, 接触面之间黏着磨损越发严重,从而使摩擦因数和摩擦力增大; 另一方面坯料与模具都会爆发热膨胀, 使二者之间的挤压力增强, 也会导致摩擦因数和摩擦力增大[29]。。。。。。。 这与超声振动辅助能场爆发的外貌效应正好相反。。。。。。。

图 7 为基于滑动摩擦实验获得的复合能场下TC4 钛合金与 SUS321 不锈钢之间的摩擦力与滑动距离关系[30]。。。。。。。 从图中可以看出, 简单温度场条件下,随着温度的升高摩擦力增大; 而与超声能场复合后,随着超声振动能量的增大摩擦因数一直降低, 并且温度越高降低幅度越大 (图 8), 这与室温条件下质料外貌效应基本吻合[30]。。。。。。。 为了进一步确定高温条件下的外貌效应的影响, 对 TC4 钛合金外貌磨损情形举行了剖析, 如图 9 所示。。。。。。。 相较简单温度场, 复合能场条件下的试件外貌磨损情形较轻, 磨痕和犁沟较浅并保存着大宗原始外貌。。。。。。。

4、 复合能场辅助钛合金成形及应用

弯曲作为钣金类零件的主要加工方法, 可以较为直观地反应成形零件的尺寸精度和形状稳固性。。。。。。。

图 10 为复合能场作用下弯曲力和凸模行程之间的关系曲线[24]。。。。。。。 自由弯曲阶段 (图中实线), 由于复合能场使质料的高温软化效果增强以及坯料与模具之间的摩擦因数减小, 从而使弯曲力降低, 并且降低幅度与超声能量成正比; 在校正弯曲阶段 (图中虚线), 施加超声振动后, 由于试件回弹量的减小以及尺寸精度的提高, 提前进入校正阶段, 并且随着超声振动能量的增大, 校正阶段越提前。。。。。。。

图 11 为复合能场下 TC2 弯曲试件的回弹量的比照[24], 随着温度的升高和超声振动能量的增大,弯曲件的回弹量一直减小。。。。。。。 通过数据比照可知, 温度为 500℃时, 复合功率为 1.0kW的超声振动后,对 TC2 弯曲回弹的抑制效果与 550℃ 简单温度场时的一致。。。。。。。 经由温度为 550℃、 复合功率为 1. 0kW的超声振动后, 与 600℃ 简单温度场时的一致。。。。。。。 即复合超声振动能场后, 在相同质量条件下可以降低温度场的温度, 从而有利于节能减排和生产本钱的降低[24]。。。。。。。 除此之外, 何东芳等[31] 的研究效果批注,复合能场还可以减小钛合金在塑性成形阶段和保压校正阶段的弯曲力。。。。。。。

在航空制造领域, 弯边结构是飞机框肋类零件的主要结构特征, 具有较强的代表性。。。。。。。 成形历程凭证弯边类型可划分为直线弯边、 凸曲线弯边及凹曲线弯边等。。。。。。。 其中, 凸曲线弯边区域质料主要受压应力作用, 易爆发起皱; 凹曲线弯边变形区质料主要受拉应力作用, 易爆发翘曲; 若是零件质料为钛合金, 则起皱、 翘曲及回弹等质量问题会更严重。。。。。。。

图 12[32]为差别复合能场下的 TC1 钛合金重大弯边件, 试件上半部分主要为直线和凸曲线弯边, 下半部分主要为凹曲线弯边, 为了便于剖析选取试件典范位置 1~10 举行丈量。。。。。。。 图 13 为 TC1 弯边件典范位置丈量效果。。。。。。。 从图 12 中可以看出, 由于试件弯边高度较小, 凸曲线弯边部分没有泛起显着起皱征象, 但保存翘曲、 回弹和变形不匀称征象。。。。。。。 

从图 13 中可以看出, 相较量简单温度场, 复合能场对抑制弯边件的回弹和提高弯边高度的匀称性的效果要好许多, 这主要与复合能场对证料性能 (含各向异性)、 微观组织、界面摩擦、 变形机理等方面爆发的影响有关[32]。。。。。。。

5 、结语及展望

超声振动辅助成形作为一项具有特色的板材成形手艺, 较通俗塑性成形要领, 前者能够有用降低质料所需的成形力, 提高板材变形能力, 改善试件外貌质量, 同时还可以消除成形历程中爆发的剩余应力, 已在钢、 铝合金、 镁合金及钛合金等中、 小、微尺寸零件的冲裁、 拉深、 弯曲和胀形等成形历程中获得了应用。。。。。。。 除此之外, 还可以与温度、 激光、电场及磁场等其它能场复合, 为难变形、 重大形状钣金件的高质量成形提供新途径。。。。。。。 尤其是在与温度场复合历程中, 借助质料高温软化和超声振动的复合效应, 对钛合金成形性能、 成形质量等方面均有差别水平的提升, 进一步凸显了特色优势。。。。。。。 然而,在温度与超声能场的复合历程中, 还保存能场之间的匹配协调、 工艺参数的优化控制以及相关专用装备开发等问题, 尚有待进一步深入研究。。。。。。。

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