钛合金拥有优良的高温综合机能，，抗委顿、、抗氧化和耐侵蚀机能优异，，被宽泛用于制备航空航天、、船舶等领域中的关键构件[1]。但由于钛合金在室温下存在成形抗力大、、塑性差和回弹大等问题，，常选取热加工技术进行制作。武永等[2] 综述了多种针对钛合金薄壁构件的热成形工艺，，其中超塑气胀成形技术是近年来发展起来的一种先进工艺步骤，，拥有成形效能高、、合用性强、、绿色环保等利益，，可将单一状态坯料直接成形为整体复杂曲面零件。Li 等[3] 钻研了超塑胀形过程中摩擦系数、、应变速度敏感系数和应变速度等对板料厚度散布的影响。Alabort 等[4] 基于黏塑性模型预测了TC4钛合金多层板在超塑气胀成形过程中几何状态、、应变散布、、晶粒尺寸和危险分数的演变法规。Fan 等[5] 通过发展超塑气胀成形试验发现，，在热成形过程中，，分歧的应变蹊径会显著影响钛合金的微观组织、、织构演变及变形机制，，进而扭转宏观力学机能及成形零件质量。此外，，Li[6]和 Wu[7] 等通过高温单轴拉伸试验发现近 α 钛合金板材由于拥有强烈的轧制织构，，在高温塑性变形时依然阐发出显著的各向异性。因而，，有必要对分歧双拉应变蹊径下钛合金板材的高温力学机能及各向异性行为进行系统钻研，，这对于优化成形工艺和提高有限元精度拥有重要的领导意思。

TA32钛合金是中科院金属钻研地点 Ti55合金基础上改进的一种近α型高温钛合金，，已被用于研制国内先进航空发起机的加力点火室筒体和尾喷管结构件[8]。

本文通过发展高温气胀成形试验钻研了TA32钛合金板材的超塑胀形机能。设计了4种拥有分歧短长轴比的椭圆模具以实现分歧的应变蹊径，，板材的轧向 （Rolling direction，，RD）和横向 （Transverse direction，，TD）别离与模具长轴平行以钻研变形各向异性。分析了胀形试样顶点的应变分量、、壁厚和曲率半径与胀形高度之间的定量关系；；诜枪亓鞫钕碌 Barlat’89 屈服准则对 TA32板材胀形过程中的等效应力进行了求解，，并分析了分歧应变蹊径下试样顶点处的等效应力-应变曲线和等效应变速度。

1、、 超塑胀形机能试验

试验资料为宝钛集团出产的0.8mm厚近α型TA32钛合金轧板，，名义成分为 Ti-5.5Al-3.5Sn-3.0Zr-0.7Mo -0.3Si-0.4Nb-0.4Ta（质量分数，，%）[8]。通过激光切割制备直径为 90 mm 的圆形试样，，并用砂纸打磨试样理论去除边缘毛刺。为了丈量胀形试样的应变散布，，选取电蚀刻打标机在试样理论印制线宽0.02mm×边长 2mm的方形网格。

在自主设计的成形装置上对 TA32钛合金薄板进行超塑气胀成形试验，，装置示意如图 1 所示。首先通过加热炉将上、、下模具加热至成形温度 （800 ℃），，选取 3 个K 型热电偶实时监测上模座、、模具和下模座的温度。而后，，将涂有高温防氧化剂的圆形试样 （直径 90 mm）置于模具之间，，保温 15 min 后通过夹紧模具来密封腔体。

将高压气体从下模座中的孔道沿指定加载曲线施加于试样的下理论，，使其产生塑性变形。同时，，鄙人模座型腔中搁置了大量陶瓷球，，一方面减小板猜中部和板料与模具接触区域之间的温度差距，，另一方面降低低温高压气体对试样理论的温降影响。在试验过程中，，胀形高度由位移传感器实时监测，，加载气压由电动比例调节阀节制，，并通过压力传感器实时纪录。

为了钻研分歧应变蹊径下的胀形机能，，设计了 4 套拥有分歧椭圆型腔结构的模具，，如图 2（a）~（d）所示。

模具长轴平行于 X 轴，，短轴平行于 Y 轴。变形区域的长轴为 60 mm，，短长轴比用 λ 暗示，，4 套模具的短长轴比别离为 1、、3/4、、2/4 和 1/4。分歧模具代表的双轴拉伸应变蹊径的示意图见图 2（e），，别离象征为蹊径 1~4。为了分析 TA32 板材在超塑胀形前提下的各向异性行为，，在胀形过程中使得试样的 RD 和 TD 别离平行于模具的长轴 （X 轴）方向。

选取 Banabic[9] 和 Siegert[10] 等提出的气压加载方程，，使得试样顶点在胀形过程中维持恒定等效应变率变形。

式中，，p为胀形压力；；a0 和 b0 别离为模具型腔的半长轴和半短轴长度；；s0 为初始板厚；；t 为胀形功夫；；α 为主应力比值的无穷纲常数；；ε.e 为等效应变速度；；σ- 为对应于单轴拉伸期间特定应变速度的等效流动应力。凭据本课题组之前的钻研了局[11]，，TA32 板材在 800 ℃下以0.001 s^–1 应变速度变形时阐发出优良的超塑性，，因而本文设定试样顶点在胀形过程中的等效应变速度为 0.001s^–1，，相应的等效流动应力约为 120 MPa。图 3 为 TA32板材在分歧应变蹊径下的胀形压力加载曲线Ｄ芄豢闯觯，恒应变速度胀形气压先急剧增长后缓慢减。，气压减小的原因是由于板料产生终部门软化。同时，，随着模具短长轴比的减。，胀形压力显著增长。

2、、 胀形过程分析模型

由于板厚与模具直径之比小于 0.02，，选取薄膜理论分析胀形试样顶点应力[12]。为简化推算，，提出以下近似如果：：： （1）法向应力和弯曲应力等于 0；； （2）壁厚散布均匀；； （3）在两个正交方向上的应力分量是均匀的，，且垂直于相应截面；； （4）外理论曲率半径在微元体领域内均匀散布，，凭据法向方向的力平衡方程，，试样顶点处的应力分量可暗示为[13]

式中，，s 为试样顶点确当前壁厚；；ρX 和 ρY 为试样外理论沿 X 和 Y 轴的曲率半径。

等效应力通过相宜的屈服准则转化主应力来获得，，本文拔取合用于各向异性金属板的 Barlat’89 屈服准则来描述 TA32 板材的屈服行为[14]。为了使等效应力预测了局越发正确，，选取非关联流动法令下的 Barlat’89屈服准则进行求解，，在平面应力状态下可暗示为[15]

式中，，σ- 为等效应力；；上标 M 为幂指数；；K1、、K2 为方程参数；；σ1、、σ2 为第 1 和第 2 主应力；；τ 为剪切应力；；ay、、cy 和hy 为资料参数；；思考到在胀形过程中试样顶点的剪应力靠近于 0，，故参数 qy 可忽略不计；；σ0 和 σ90 别离为 TA32板材平行 RD 和垂直 RD 单轴拉伸时的屈服应力[16] ；；σb为等双拉时的屈服应力，，可近似暗示为 σb =（σ0 + σ90）/2。

表 1 列出了非关联流动法令下 Barlat’89 屈服准则中的资料参数。

利用塑性功相称准则推算等效应变增量[17] 为

式中，，wp 是单元体积内的塑性功增量；；dεX 和 dεY 是沿 X和 Y 轴的应变增量。等效应变可通过对增量积分得到。

由式 （3）可知，，应力分量的求解依赖于试样顶点的主曲率半径 （ρX、、ρY）。在本钻研中，，如果胀形试样的长轴截面概括近似为圆形，，通过思考模具圆角半径的影响，，试样顶点处沿长轴的曲率半径可暗示为[18]

式中，，ρ0 为模具圆角半径；；h 为胀形高度。

凭据 Chen[19] 的钻研了局，，胀形试样主曲率半径之比与模具短长轴比之间的关系可暗示为

式中，，参数 c1 用于反映资料的各向异性，，由蹊径 1 下胀形试样的主曲率半径之比得到；；参数 c2 为分歧应变蹊径对曲率半径的影响因子，，通过拟合蹊径 2~ 4 下胀形试样的主曲率半径得到。

3 、、了局与会商

图 4 为 TA32 板材在 800 ℃下沿分歧应变蹊径胀形至分歧阶段的试验了局。试样轧向与模具长轴方向平行。图 5 为分歧蹊径下试样顶点处的胀形高度与功夫之间的关系Ｄ芄豢闯稣托胃叨仍诒湫纬跗谘杆僭龀ぃ，增长速度随着变形的发展而逐步减慢。当变形到最后阶段时，，胀形高度在短功夫内迅速增长，，直到试样分裂。

同时，，胀形高度随模具短长轴比的减小而减小。当试样 RD 平行于 X 轴时，，蹊径 1~ 4 的极限胀形高度别离为33.1 mm、、28.1 mm、、25.3 mm 和 20.4 mm；；当试样 TD 平行于 X 轴时，，蹊径 2~4 的极限胀形高度别离为 30.8mm、、26.9mm 和 22.2mm，，这批注 TA32 板材在高温胀形试验中拥有显著的变形各向异性。

通过丈量胀形试样顶点区域变形网格的应变散布，，得到了分歧应变蹊径下试样顶点处应变分量 （εX、、εY）和胀形高度之间的对应关系，，并用二次多项式对其进行拟合，，如图 6 所示 （上标“RD//X ”和“TD//X ”暗示两个分歧的试样，，下标“X ”和“Y ”暗示应变分量对应的方向）。

随着胀形高度的增长，，应变增量逐步增大。当使用圆形模具胀形时，，短轴方向上应变略小于长轴方向上应变；；当使用椭圆模具胀形时，，短轴方向上应变大于长轴方向上应变，，且差值随模具短长轴比的减小而增长。此外，，与 RD//X 试样相比，，在一样胀形高度下，，TD//X 试样在短轴方向上的应调换大，，而在长轴方向上的应调换小。

这种各向异性行为可能与原始轧板中的织构散布亲昵有关[7]。图 7[7] 显示了由 Channel 5 软件绘制的 TA32钛合金板材的 （0001）、、（101-0）和 （112-0）极图，，能够看出，，原始板材中存在着大量的横向织构（Transverse），，即图 7 中 T 地点地位。

凭据资料不成压缩如果，，进一步得到分歧应变蹊径下试样顶点壁厚和胀形高度之间的关系，，如图 8 所示。

试样减薄率随着胀形高度的增长而急剧增长，，且随着模具 λ 值的减。，试样壁厚在一样胀形高度下显著减小。

同时，，与 RD//X 试样相比，，TD//X 试样在一样变形前提下拥有更大的变形能力，，批注当 RD 平行于第一主应变方向时，，TA32 板材在高温双拉前提下阐发出更好的塑性。

图 9 显示了分歧应变蹊径下试样顶点曲率半径和胀形高度之间的关系（其中符号点暗示试验值），，通过选取高度尺别离构建胀形试样沿 X 和 Y 轴的截面概括，，并拟合二次曲线方程获得。结合式 （11），，c1 和 c2 的数值别离为 1.07 和 1.15，，理论推算的曲率半径如图 8 所示Ｄ芄豢闯鲈げ饬司钟胧匝榱司治呛辖虾。随着胀形高度的增长，，试样顶点曲率半径先急剧降低后缓慢降低，，且在短轴方向上减小速度更快。随着变形的进行，，短轴方向上的曲率半径逐步趋近于模具的半短轴长度。随着模具 λ 值的减。，沿长轴方向的曲率半径靠近，，但沿短轴方向的曲率半径不休减小。此外，，当使用统一套模具胀形至一样高度时，，RD//X 和 TD//X 试样的曲率半径险些一样，，这意味着曲率半径重要取决于模具型腔结构，，与板材取向无关。

凭据上文的分析，，基于 Barlat’89 屈服准则 （式 （5））并结合上述试验数据推算了分歧应变蹊径下试样顶点处的等效应力 – 应变曲线，，如图 10 所示Ｄ芄豢闯隽鞫αυ诒湫纬跗谘杆俅锏椒逯担，随后由于动态再结晶和危险堆集而逐步降落，，阐发出显著的流变软化行为。随模具 λ值的减。，即蹊径 1~ 4，，资料的峰值应力升高，，流变软化加强，，延长率降低，，批注当应变蹊径由等双拉过渡到平面应变时，，资料的成形机能不休降落。别的，，力学机能阐发出显著的各向异性，，当板材 TD 与模具长轴平行时，，资料拥有更低的峰值强度和更高的塑性，，即当板材 RD 与第一主应变方向平行时，，TA32 板材拥有更好的成形性。

式 （6）推算了试样顶点在分歧应变蹊径下胀形时的等效应变速度，，如图 11 所示，，能够发此刻胀形过程中应变速度重要分为3个阶段：：：急剧降落、、不变颠簸和加快上升。

但是，，分歧蹊径下的应变速度均低于指标设定值，，这意味着通过式 （1）推算得到的压力加载曲线无法满足 TA32板材的恒应变速度胀形，，将来必要开发合用性更强的理论模型来正确预测超塑气胀成形过程中的加载压力。

4、、 结论

（1）TA32钛合金板材的超塑气胀成形机能阐发出强烈的应变蹊径依赖性。当应变蹊径从等双轴拉伸转变为近平面应变时，，板材极限胀形高度减。，峰值应力增长，，延长率降低，，成形机能降落。

（2）TA32钛合金板材在超塑成形前提下阐发出显著的各向异性行为。当板材 RD 平行于第一主应变方向时，，资料拥有更低的峰值应力和更高的塑性，，阐发出更好的成形性。

参 考 文 献

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通讯作者：：：武永，，副教授，，工学博士，，钻研方向为钛合金超塑成形 / 扩散衔接工艺及设备、、高温成形多尺度建模。