SP700钛合金低温超塑成形数值模拟与机理研究

引言

由于钛合金具有强度高、耐高温和抗腐蚀性强等优点[1]，已经在航空航天领域中得到了广泛应用。航空航天领域常用的Ti-6Al-4V钛合金具有较强的疲劳抗力和较好的断裂韧性。但是由于其加工性能和可热处理性能较差使得在非航空与航天领域的应用受到限制[2]。含2%Fe的α+β型SP700钛合金的最佳超塑性温度比Ti-6Al-4V钛合金低约100 ℃，具有更高的强度、塑性、断裂韧度疲劳强度和更好的冷、热加工成形性[3-5]。最为突出的是新材料SP700钛合金流变应力大幅降低，超塑成形性能得到极大提高，其超塑伸长率可高达2000%以上。

目前对Ti-6Al-4V钛合金的超塑变形行为与成形工艺研究较为广泛。李析桐等[6]在ABAQUS/Standard平台上建立了Ti-6Al-4V钛合金飞机壁板中典型筋包结构超塑成形的三维有限元模型，通过有限元方法成功避免了缩沟和破裂的产生，也验证了模拟结果的可靠性。段奇锐等[7]通过对TC4钛合金盒型件超塑成形进行数值仿真，获得拟合后的气压加载曲线，以此为依据进行了工艺试验；通过试验件的外形及厚度与仿真模拟结果对比，验证了有限元仿真模型的准确性；结合数值模拟与试验研究，总结分析了超塑成形TC4材料的流动规律，为复杂零件的超塑性成形工艺的制定提供了理论支持。ZHANG T等[8]依据数值仿真结果优化参数，控制了Ti-6Al-4V的4层结构超塑成形/扩散连接宏观缺陷，且模拟结果与试验一致，蜂窝结构与空心叶片结构的最大误差分别为4%和9.7%。目前，数值仿真在钛合金塑性成形领域得到了广泛应用，成功解决了复杂零件加工中的诸多难题和典型缺陷，但国内外对SP700数值仿真与超塑成形试验结果对比验证的研究较少。因此，研究数值仿真的精度对SP700超塑性成形工艺的制定具有一定的指导意义。

本文基于高温拉伸试验分析了SP700钛合金的低温超塑特性，借助数值仿真拟合实际超塑成形压力-时间曲线，验证了SP700盒形件的工艺参数，以保证成形过程中材料完全贴模。通过检测成形件的厚度分布，并与模拟结果进行对比，验证了SP700材料数值仿真与工艺的可行性，为SP700钛合金的工程化应用和航空超塑构件提供试验依据。

1 数值仿真

1.1 有限元模型

采用盒型件进行SP700钛合金超塑成形仿真模拟与工艺验证。盒型件深度为30 mm，坯料尺寸为355 mm×255 mm。超塑成形凹模如图1所示，设计压料面，并采用密封梗避免成形过程中气体的逸出。

图1 盒型件超塑成形凹模有限元模型
Fig.1 Finite element model of concave die for superplastic forming of box-shaped part

SP700钛合金厚度为1.2 mm，采用的单元类型为四边形壳单元。划分板料网格时，依据模具的形状和板料的变形过程，预先对板料贴模过程中变形较大的区域进行网格细化[9]，单元数及节点数分别为14484和14729个，如图2所示。

图2 坯料网格划分
Fig.2 Grid meshing of blank

由文献[5]可知，SP700钛合金对应变速率敏感，达到较优超塑性能的稳态阶段的应变速率和温度区间分别为0.001～0.005 s-1和760～800 ℃。有限元模拟采用刚塑性材料模型，选择MARC软件中的Backofen模型描述SP700钛合金稳态阶段的流动应力，超塑性本构方程[10-11]如下：

(1)

式中：σ为流变应力；为应变速率；m为应变速率敏感性指数，是曲线的斜率；K为材料指数，受变形温度、微观组织及结构缺陷影响。本文中成形温度为800 ℃，K=153.06，m=0.32，其中，模具设定为刚性体。

摩擦是零件超塑成形的一个重要影响因素。在超塑成形时，应变速率低，变形板料与模具之间的摩擦力增大，润滑剂可能被挤出，使得摩擦因数增加；在超塑的高温作用下，变形金属与模具之间的接触面可能会发生一些金属元素的相互扩散，使得摩擦因数增加。超塑成形通常应用Coulomb 反正切滑动摩擦模型，摩擦因数选用0.3。

1.2 边界条件

坯料压边部分进行位移约束，基本不参与变形，对坯料上所有单元施加面压力，如图3所示，坯料在气压作用下不断变形贴合模具，造成厚度不断减薄。在加载过程中，为了使SP700钛合金保持较好的超塑变形性能，避免应变速率发生大的变化，压力会自动调节以保持应变速率与目标应变速率接近，目标应变速率设定为0.001 s-1。

图3 坯料边界单元约束位移
(a)施加约束示意图 (b)施加压力示意图
Fig.3 Constrained displacement of boundary element of blank
(a)Schematic diagram of applying constraint (b)Schematic diagram of applying pressure

1.3 模拟结果

图4为成形后盒型件的厚度云图。通过MARC软件可直接观察板料的整个变形过程大致分为3个阶段：自由胀形阶段、底部贴模阶段和圆角填充阶段[12-14]。在自由胀形阶段，由于坯料四周部分压紧后受均布力作用，造成中心部位的挠度最大，沿深度方向的位移最大。在坯料中心接触底部后进入底部贴模阶段，坯料在模具表面摩擦力的作用下，自由流动微弱，致使其厚度分布不均匀。当贴模至某程度时，进入圆角填充阶段。随着压力的继续加载，由于圆角区域的应力不断增大，该区域的材料厚度不断减薄，坯料开始向圆角部位流动。底部三面交界处的部位是最终贴模部位，其厚度为0.36 mm，减薄率为70%。图5为等效塑性应变云图，底端圆角处的等效塑性应变最大，达到1.084。模拟完成后，采集仿真过程中各载荷步的相关数据，拟合得到压力-时间曲线如图6所示。

图4 盒型件厚度云图
Fig.4 Cloud diagram of thickness of box-shaped parts

图5 盒型件等效塑性应变云图
Fig.5 Cloud diagram of equivalent plastic strain of box-shaped parts

图6 拟合后的压力-时间曲线
Fig.6 Fitted pressure-time curve

2 试验验证

2.1 厚度对比

依据数值模拟得到的工艺参数，将超塑成形温度设定为800 ℃，一开始升压较慢，20 min升至0.1 MPa后，升压速率以0.1 MPa·min-1升到2 MPa，保压90 min。成形后随炉冷以减少热应力。图7为成形后的盒型件，其表面具有光滑流线，无凹坑、褶皱和富含氧化皮等肉眼可见的缺陷，且贴模度较好。其中，颜色深的区域说明升温和降温时间比较长。盒形件的厚度分布是反映其质量的一个重要参数，选取图8中5个典型位置采用PVX测厚仪进行测量，并与相对应的仿真结果(图9)进行对比。表1为模拟值与试验厚度比较，由表可见，成形后盒型件厚度分布的模拟仿真和试验测量结果大致吻合，最大误差不超过20.00%，说明采用的SP700超塑成形工艺是合理可行的，进一步说明SP700数值仿真可精准预测该材料超塑成形过程及结果。盒形件底部圆角处变薄最为严重，减薄率为62.5%左右，数值仿真结果也得到相同的预测结果。但在位置4凹模圆角处，仿真结果与试验结果厚度相差较大，其原因是试验中圆角处没有完全贴模，若是完全贴模，圆角处的实测厚度会减小，与仿真结果的厚度误差也会减小。

表1 模拟仿真与试验厚度比较
Tab.1 Thickness comparison between simulation and test

图7 超塑成形后盒型件实物图
Fig.7 Physical picture of superplastic formed box-shaped parts

图8 1/2盒型件的厚度测试位置
Fig.8 Thickness measurement positions of 1/2 box-shaped parts

图9 1/2盒型件厚度云图数值仿真结果
Fig.9 Cloud diagram of numerical simulation results of thickness of 1/2 box-shaped parts

2.2 金相组织

从盒形件的底部切下一块金相试样用光学显微镜观察金相组织。图10为盒形件的微观组织，显微组织仍为等轴状，α相占比67.72%，晶间β相占比32.28%，晶粒尺寸小于2 μm，与原始板料相比，其β相大小及体积分数并无明显变化，且分布更加均匀，有利于改善SP700材料成形后零件的力学性能。

图10 盒形件的微观组织
Fig.10 Microstructure of box-shaped parts

2.3 力学性能

为了研究SP700钛合金低温超塑成形后零件的力学性能，在盒型件底面纵向和横向两个方向分别切取3个拉伸试样进行测试。取样位置如图11所示。应变速率为0.001 s-1，图12为室温拉伸性能测试结果，横向平均抗拉强度为965.2 MPa，纵向平均抗拉强度为903.5 MPa，横向平均伸长率为15.2%，纵向平均伸长率为14.5%。结果表明，SP700材料经过超塑胀形后，仍具有较优异的力学性能，与观察到的等轴均匀组织相符。

图11 取样位置示意图
Fig.11 Schematic diagram of sampling positions

图12 盒型件室温拉伸性能
Fig.12 Tensile properties of box-shaped parts at room temperature

3 结论

(1)新材料SP700钛合金具有较好的低温超塑性，在成形温度为800 ℃时，可成形出质量合格，贴模性好的零件。

(2)SP700钛合金成形盒型件厚度的数值仿真与实际测量结果比较吻合，验证了仿真模拟与试验结果的一致性，证实了建立的SP700钛合金的超塑变形本构模型具有较好的预测精度，对SP700超塑成形复杂零件具有一定的指导意义。

(3)SP700钛合金经过超塑胀形后，仍具有较优异的力学性能，平均抗拉强度高于900 MPa，平均伸长率大于14%，为后期研究SP700钛合金的其它服役性能奠定了基础。

文章引用：赵利娜，韩艳彬，张骞文，等.SP700钛合金低温超塑成形数值模拟与机理研究[J].塑性工程学报，2023，30(9)：44-49.