TA15钛合金的名义成分为Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V，由于参与了α不变元素Al、中性元素Zr以及β不变元素Mo和V，是一种高铝当量近α合金[1]。因而TA15寂仔α型钛合金优良的热强性和可焊性，又有靠近于α–β型钛合金的工艺塑性，最高使用温度可达到500℃[2]。随着飞行器速度的不休提升，对资料的机能和结构提出了更刻薄的要求，选取超塑成形/扩散衔接（SPF/DB）工艺造作航空部件在部门减沉、精度节造、降低成本等方面有巨大的优势[3]。

近年来，国内表在积极发展多层结构的钻研工作[4]，SPF/DB工艺可成形出飞行器上宽泛利用的大型、复杂、密封多层中空结构。王 石川等 [5]使用MSC.Marc对TA15四层板SPF/DB工艺进行了仿照仿 真，仿照了局和试验值高度吻合。 Salishchev等 [6]选取超细晶Ti–6Al– 4V钛合金在750~800℃下造备了 复杂的四层中空结构，直立筋成形质 量好、表表无显著缺点。闫亮亮等 [7] 利用有限元仿真优化了TA15钛合 金四层结构SPF/DB工艺参数，获得 优良的扩散衔接界面，成功造备了 四层结构件。李保永等 [8]对Ti60/ TA15异种合金四层结构舵面SPF/ DB进行钻研，选取三维扫描、组织 检测对四层结构的型面进行分析， 在920℃时异种资料之间的扩散连 接界面根基隐没且孔洞关合。Lee 等 [9]开发了有关软件对四层板结构 的SPF/DB过程进行仿照仿真分析， 并将仿真分析了局与试验成形后的 了局进行了对比分析，仿照了局和试 验了局较吻合。 

目前针对TA15合金热加工过 程中微观组织的变动已经发展较多 工作。张旺锋等 [10]通过理论和试验 发现，对于近α型钛合金通过等温变 形并建设合理的冷却可获得综合性 能优异的三态组织。徐文臣等 [11]采 用热仿照压缩试验钻研了TA15钛 合金的动态热压缩行为及其机理。 

本文通过调研发现，SPF/DB工 艺中厚度幼于0.5mm的超薄板料研 究较少，且板料厚度极薄导致成形件 缺点概率更高，亟须合理的工艺参数 和严苛的精度节造；诖，本文使 用厚度为0.5mm和0.4mm的TA15 轧板别离作为面板和芯板发展有限 元仿真，着沉钻研四层中空超薄结 构SPF/DB过程的壁厚和应力散布 以及相应的微观组织演变法规，以期 为TA15钛合金超薄中空四层结构的 SPF/DB工业化利用提供理论参考。 

1、试验及步骤 

1.1试验资料 

试验板材为宝钛集团提供的TA15轧造板，其化学成分见表1。  

1.2高温拉伸测试 

高温拉伸试验是检测资料超塑 机能和探寻资料超塑性变形工艺参 数的最佳步骤。高温拉伸试验是在 CSS–8800型电子全能拉伸机上进行 （图1（a））；TA15钛合金单向拉伸 试样原始尺寸见图1（b）。 高温拉伸选用的恒应变速度别离 为0.01s –1、0.005s –1、0.001s –1，试验温度 别离为880℃、900℃、920℃、940℃。 拉伸试样在加热炉内加热到指定温 度后再保温5min，拉伸试样装炉之 前为了去除TA15表表的氧化层，需 用砂纸对试样打磨到800目，最后喷 涂高温抗氧化涂料Ti–1200玻璃防 护光滑剂来抑造钛合金在高温拉伸 环境中氧化。 

1.3微观组织观察 

通常来说，由于超塑成形过程中 资料要经历较长功夫的热露出和较 大的变形量，微观组织会产生扭转。 因而针对SPF/DB前后的组织变动 和扩散衔接情况进行检测，以获得超 塑成形后的晶粒描摹和扩散衔接后 的焊合率，焊合率推算公式如式（1） 所示。试验选取金相显微镜和扫描 电镜对SPF/DB后的组织特点及扩 散衔接的情况进行观察。

 L=(l₁–l₂)/l₁×100% （1） 

式中，L为焊合率；l1为检测区域成功 扩散衔接长度；l2为检测区域未扩散 衔接长度。 

2、有限元仿真 

选取MSC.Marc对TA15钛合金板超薄中空四层结构超塑造成形过 程进行有限元仿照，该结构长和宽均 为400mm，压边宽度为48mm，成形 后的最大厚度≤0.9mm。四层中空 结构三维描摹及部门放大区域如图 2（a）和（b）所示。图2（c）为中空 结构的内部描摹示意图，蓝色线区域 为扩散衔接天堑，扩散衔接区域宽度 为4mm。四层中空结构的两层面板 厚度均为0.5mm，两层芯板厚度均 为0.4mm。 

2.1前处置 

思考到四层中空结构拥有对称 性，因而只成立下侧作为限元模型的 推算域（一层面板、一层芯板）。通 过MSC.Marc的导入端口，把经过 Hypermesh处置后的模具、板料别离 导入。单元类型选用四节点的矩形 壳单元，芯板和面板的总计单元及节 点数量别离为20000个、20402个。 依照四层结构的造作工序，必要进行 两次热成形，首先对面板进行超塑气 胀，而后对芯板进行超塑成形。图3 为超薄中空四层结构面板、芯板先后 成形的示意图。 

2.2资料个性 

超塑成形属于大变形，险些没有 回弹，因而资料变形模型选为刚塑性 模型。本构方程遵循PowerLaw准 则，即流动应力与应变和应变速度之 间的关系为
式中，σ为流变应力；ε.为应变速度；K 为资料常数；m为应变速度敏感指数。 通过推算获得TA15钛合金在分歧温 度下的m值和K值，如表2所示。 

图4为TA15钛合金高温拉伸 后的应力–应变曲线以及ε.=0.005s –1 对应的延长率。凭据李保永 [12]对 TA15超塑性成形的有关钻研，获得 TA15钛合金最佳的超塑成形温度范 围在880~930℃之间。 由于在整个成形过程中，高低模 具变形量可忽略不计，故界说接触体 时，模具界说为刚体，面板和芯板分 别界说为变形体1和变形体2。变 形体和刚体的摩擦类型均选择双线 性库仑摩擦模型，刚体和变形体摩擦 系数设为0.2，两个变形体间的摩擦 系数设为0.22。对面板区域超塑变 形部门施加均布的面载荷以仿照超 塑成形时的气压加载。芯板扩散连 接区域和面板、芯板的模具压边部门 均设置为三轴固定约束。 

2.3推算设置 

有限元推算设置为超塑性成 形压力节造，使用的气压领域为 0.0001~2.0MPa。选取最大应变速 率恒定法来加载成形气压，首先进行 面板成形，加载功夫设为2000s。然 后进行芯板成形，加载功夫同样设为 2000s，功夫步长选取多准则自适应。 分析设置中，在非线性分析当选择 大应变，同时使用Mentat多区并杏注 GPU来提升推算效能。 

3、了局与会商 

3.1有限元仿真了局分析 

本文拔取920℃作为试验温度。 如图3所示，首先，气压逐步加载到 2.5MPa后保压2h，面板超塑成形 的同时进行芯板的扩散衔接；而后 通过压力机作为压边圈，提供高压力 来充分扩散衔接其包覆区域，以保险 后续加压过程不会漏气；最后，先给 面板区域通气使面板胀形，面板齐全 贴模后再给芯板通气，使芯板胀形， 最终实现超薄中空四层结组成形。 

图5（a）为面板在胀形后得到 的厚度仿真了局，能够显著看出，面 板胀形实现后，板料在4个圆角减 薄最为严沉，减薄率达到了18.6%。 面板的中心区域减薄较幼，这是因 为该区域最先贴模，坯料与模具之 间的摩擦力抑造了该区的金属向其 他区域补充。如图5（b）所示，面 板胀形的等效塑性应变散布很好地 印证了图5（a）所示的厚度减薄特 征。图5（c）和（d）别离为芯板超 塑成形后的厚度变动及等效塑性应 变云图，可知，区域1和区域3吓宗 区域2贴模，且圆角区域减薄极为 严沉。 

3.2特点地位厚度、应变、应力分析 

3.2.1面板变形分析 

为定量钻研面板超塑成形后的 厚度和应变演变法规，通过图6（a） 所示的丈量线进行数据图提取。图 6（b）为丈量线上厚度、等效应变数 值，显然在压边圈覆盖区域的面板厚 度根基不变，从压边区至圆角处厚度 迅速降落，而应变值的显著提升也证 明在圆角处变形量极大。从圆角到 面板中心，厚度逐步增长至峰值，应 变值的散布法规正好与之相反。

由图6可知，丈量线上厚度变 化很崎岖，为精确钻研超塑成形过 程中面板的变形法规，在图6所示 的丈量线上取3个特点点作为钻研 对象。如图7（a）所示，A为面板 中心地位；C为面板角部；B为角部 C与中心部A的中点。通过提取3 个特点地位在整个超塑过程中的数 据，得到了整个加工过程中的厚度、 应力变动法规。如图7（b）所示，A 点最先减薄，但最终变形量很少，减 薄率仅为2.6%；B点的减薄率较高， 约为5.4%；C点的减薄率最高，达到 18.6%，结合图7（c）发现，C点处 存在极为严沉的应力集中。通过图 7（b）和（c），能够观察到当面板胀 形实现后，随着芯板胀形至面板地位 后，面板C点的厚度仍有幼幅度的 减薄，减薄率约为2.8%，该过程伴随 着应力的忽然增大。 

为了更直观地观察超塑成形过 程中面板厚度的整体变动行为，提取 面板在4个时刻的厚度散布数据绘 造云图，如图8所示Ｄ芄环⑾置 板在胀形过程中存在部门增厚的微 幼区域，如图8（b）所示的白色点 状区域。显然，随着面板胀形的不休 进行，越晚贴模的地位板料厚度减薄 越严沉，这些地位也更容易出现开裂 等缺点。 

3.2.2芯板变形分析 

在图9（a）所示的丈量线上提 取各节点的厚度、应变值，得到图9 （b）所示的芯板厚度、应变变动法规 曲线。由于芯板变形拥有对称性，因 此以提取蹊径的1/2作为钻研对象。 由图9（b）可知，压边圈覆盖区域厚 度维持不变，芯板的厚度在3个区域 的中心地位时都处于峰值，随着远离 中心线厚度起头降低，最严沉的地位 减薄率可达到35.7%。 

在芯板上提取3个特点点A'、B'、 C'，如图10（a）所示，A'点为芯板区 域1的中心地位；B'点为区域1下方 邻近扩散衔接区域地位；C'点处于B' 点的右侧地位。如图10（b）所示， 在面板胀形期间，芯板厚度根基不发 生变动，当芯板起头胀形后，B'点处 厚度降落最快，但减薄并不严沉，减 薄率为32.3%；A'点处的减薄率最幼， 仅为7.5%；C'点的减薄最为严沉，减 薄率达到55.1%。通过对比图10（c） 的应力变动，可知芯板胀形期间，C' 点处的应力值一向高于其他地位。 

图11为芯板在4个时刻的最大 壁厚散布云图，发现芯板在SPF期 间有部门加厚的微幼区域，如图11 （b）所示的白色区域。与面板胀形 类似，随着胀形的持续进行，越晚贴 模的地位板料变形更大、厚度更薄， 因而这些区域加载气压较大时容易 开裂。 

3.3四层中空结构SPF/DB试验了局 

依照图12（a）所示的气压加压 方式，使用SPF/DB工艺成功造备了 TA15超薄四层中空结构，四层结构 实物如图12（b）和（c）所示。塑性 成形的四层空心结构表表质量优良 且无沟槽等缺点，板料充分贴膜，尺 寸精度节造较高。利用线切割将构 件切分后，可观察到四层结构内部直 立筋结构。直立筋成形质量好，面板 和芯板贴合缜密（图12（b））；面板/ 芯板三角区和网格筋条三角区空地 很幼，三角区宽度仅为0.9mm（图 12（c））。 

由于超薄构件极易出现开裂等 缺点，因而中空结构的精度节造主 要体现为厚度减薄节造。顺次拔取 13个点进行壁厚丈量（图12（c））， 并与仿真了局进行对比。图13（a） 为面板试验与仿真的壁厚对比结 果，点1#~3#为压边区域，最大误 差为0.99%，点4#~11#为面板变形 区，最大误差为2.1%，证实了面板仿 真了局的靠得住性。图13（b）为芯 板试验与仿真的壁厚对比了局，点 1#~3#压边区域最大误差为1.9%； 点4#~11#芯板变形区最大误差达 到6.9%；点12#~13#为直立筋区域， 最大试验误差仅为3.8%，验证了芯 板仿真了局的正确性。 

超薄四层中空结构在SPF/DB 过程中出现缺点，芯板直立筋扩散连 接的接头强度不及，造成芯板在胀形 过程扩散衔接区失效，以至芯板未能 成功胀形（图14（a））；芯板胀形中， 板料严沉减薄区在应力集中的情况 下开裂，导致芯板气压不及而未能实 现成形到位（图14（b））；图14（c） 为有限元仿照的芯板厚度严沉减薄 区存在的应力集中景象，仿照的应力 集中地位与试验开裂地位高度一致， 验证了该有限元仿照的精确水平。 通过有限元仿照的缺点散布情况，不 断优化气压加载等工艺路线，最终提 高构件的制品率。

3.4TA15钛合金SPF/DB组织分析 

试验钛合金原始组织晶粒藐幼 破碎且呈等轴状，α相相对较多，β相 相对较少，均匀晶粒尺寸幼于5μm， 如图15（a）所示。图15（b）为超塑 成形后的微观组织图，由于超塑成形 功夫较长，钛合金组织经长功夫热暴 露，晶粒产生了显著长大，藐幼α相 在高温作用下出现归并长大，破碎状 藐幼α相显著削减。 

图16（a）为芯板与面板扩散连 接SEM照片，芯板与面板贴合处全 部实现了扩散衔接，部门未贴合区域 是成形压力不够大和保压功夫不够 长造成的，进一步增大上述两个工艺 参数能够使扩散衔接面积进一步增 大，最终焊合率可达到92.1%~98.5% （焊合率≥90%为优良）。图16（b） 展示了直立筋之间的扩散衔接情况， 其均匀焊合率达到90%以上。 

4、结论 

通过有限元仿真分析与成形试 验共同微观组织检测，钻研了TA15超薄四层中空结构的SPF/DB工艺， 得到以下结论。 

（1）通过有限元仿照，获得壁厚、 应力的散布曲线以及气压加载曲线。 发现面板的4个圆角减薄率最大，最 高可达18.6%。芯板的最大减薄区 在扩散衔接的直立筋形成的圆角附 近，最大减薄率达到55.1%。 

（2）在面板、芯板厚度减薄最严 沉的区域存在较大的应力集中。薄 壁结构件在超塑变形过程中，芯板厚 度减薄严沉区域陪伴着极大的变形 行为，容易造成开裂以至芯板胀形失 效。芯板胀形后与面板之间形成的 三角区宽度为0.9mm。 

（3）TA15钛合金板原始晶粒均匀 尺寸幼于5μm，呈等轴状，超塑成形 后，钛合金晶粒显著长大且藐幼α相 归并长大。各区域的压力加载前提和 焊接功夫分歧，导致各区域焊合率不 同。优化扩散衔接工艺后，面板与芯 板之间的焊合率可为92.1%~98.5%， 直立筋的均匀焊合率达到90%以上。 

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通讯作者：蒋少松，教授，博士，钻研方向为高 温钛合金、高强铝合金、耐热高强镁合金复杂 薄壁中空轻量化结组成形理论与技术。