钛合金环段电辅助拉深成形新工艺

　　钛合金具有强度高、耐高温和耐腐蚀等优异的综合性能，应用于轻量化、高温和强腐蚀环境，通常被加工成各种特殊形状零部件以满足航空航天、医疗和化工等领域的需求。但在室温下，钛合金的塑性低、成形性差，在大塑性变形下会产生裂纹、严重回弹等缺陷，所以室温下塑性成形效果不佳，难以满足航空航天领域复杂构件控形控性的要求，因此，经常采用高温成形方法制造钛合金零件。但是高温成形的周期长、工况复杂、能耗高，成形件晶粒粗大、表面氧化严重；并且，因为模具材料需满足耐高温和耐氧化等要求，会显著增加了制造成本。既然高温成形无法满足节能环保、低成本的需求，研究者们自然将目光回归特种塑性成形（后特指电致塑性成形），思考如何在成形过程中改善或者解决各种成形缺陷。

　　自从以Conrad为代表的学者（1978年）开始研究包括钛合金在内的多种金属的电塑性以来，近60年的研究表明，给金属通电流，一定程度上可修复缺陷，促进其再结晶，推动位错和晶界运动，增强金属塑性。在不同的电致塑性成形工艺基础上，通过调节电流的大小、频率、通电时间、波形等，发展出一系列不同的电辅助成形工艺，电辅助拉深成形就是其中的一种。

　　在无电辅助的情况下，冷成形方式制造的TC4 钛合金环段截面不光顺，起皱严重，无法满足使用要求。上海交通大学李细锋团队通过数值模拟、模具设计和工艺验证的方式，提出钛合金环段脉冲电流辅助拉深成形工艺（图1）。使用低压大电流脉冲设备（12V/20000A）对450mm×275mm×1mm 的TC4钛合金坯料加以1500A 的脉冲电流和1.5V 电压，在1min 中内升温到所需的600℃左右，6min 内完成钛合金环段电辅助成形工序。对比TC4 钛合金环段冷成形和电辅助拉深成形结果，电辅助成形环段截面光顺，没有明显起皱，成形效率高。通过钛合金环段尺寸精度的测量，可以看出电辅助成形的精度明显提高，避免了起皱和回弹大等缺陷（图2）。

图1 TC4钛合金环段电辅助拉深成形过程

图2 钛合金环段件成形精度测量

　　团队还研究了脉冲电流对钛合金预制缺陷和耐腐蚀性能的影响规律。

　　脉冲电流对钛合金组织性能特征的影响

　　1.对预制缺陷的修复

　　将TC4薄板在常温下预变形拉伸10% 后，内部存在均匀分布的亚微米级孔洞，孔洞所占体积分数约为2.21%。控制脉冲电压40V和通电时间30s对预变形试样分别进行不同频率的通电处理。频率为120Hz时，孔洞数量开始减小，单个孔洞尺寸也有减小；频率为140Hz时，孔洞变化趋势延续，并且程度显著加剧，形状趋于球形；当频率继续升高为160Hz时，孔洞所占体积分数反而减少，且局部区域出现大尺寸孔洞，如图3所示。

图3 试样预拉伸后经脉冲电流处理后的内部显微孔洞分布（脉冲电压40V，通电时间30s）

　　孔洞变小得以弥合，一般认为有两种机制：一种是原子的扩散填充，脉冲电流促进原子填入孔洞中；另一种是热压合机制，孔洞区域电阻较大，焦耳热较高，导致材料内部发生膨胀，但孔洞外侧基体限制了孔洞向外的膨胀，故而孔洞向内膨胀，处于热压缩状态。而孔洞在160Hz电流下反而体积扩大、占比增加的现象，研究者认为是原子在到达孔洞表面前，就被更高频率的电流轰击导致离开。因此，为了弥合和减少孔洞，应当选取最佳的脉冲电流频率，并非频率越高越好。

　　2.对耐腐蚀性的影响

　　与对孔洞影响类似，脉冲电流频率对退火态TC4钛合金耐腐蚀性能的影响体现出单峰性。在200Hz电流下，耐腐蚀性能最佳。究其原因，是温度不同引起的。200Hz时，最高温度为457℃，退火态TC4中的少量亚稳相开始转变，短时内使TC4的组织更加稳定。频率增加到300Hz时，温度达到728℃，TC4开始发生静态再结晶，由于温度相对较低，结晶不充分，产生大量处于结晶预备期的亚晶粒和胞状亚结构，这些亚稳态结构活性较高，更容易被腐蚀。频率继续增加到400Hz，温度升高至792℃时，观察到镶块式的再结晶晶粒，受腐蚀更为严重。当频率继续升高到500Hz时，温度达到851℃，亚稳态组织更容易作为形核基体发生点蚀，因此TC4 的耐腐蚀性能急剧下降。

　　展望

　　在传统成形工艺基础上加脉冲电流外能场相复合，是对现有成形方法的补充与改善。研究表明，电辅助成形不同于传统的热成形工艺，在降低成形力、提高成形极限与精度等方面比传统热成形具有更佳效果。未来，成形技术研究方向将朝向多个能场耦合，例如将电场与电磁场复合，开展铝合金材料的板管快速高效成形；将超声场与电场复合，开展铝合金或镁合金的扩散连接成形，突破铝合金或镁合金氧化膜问题阻碍其扩散连接技术发展的瓶颈。合理利用多能场与材料相互作用的多种效应，突破高强难成形材料的制造难题，将极大地促进先进制造技术的发展和应用。