引言

钛合金因拥有高的比强度、优异的抗侵蚀性和热不变性，被宽泛利用于飞行器关键结构件的造作。TA15钛合金板料在室温下的成形个性极度有限，同时，室温下钛合金板的力学机能和资料流线都拥有显著的各向异性，其室温成形容易产生多种成形缺点，诸如造耳、分裂和回弹等。为了预防上述缺点。复杂迪胙合金薄壁构件通常在高温下成形。在分歧的高温前提下，钛合金阐发出超塑、扩散和蠕变等多种个性，利用这些个性，能够有效地提升钛合金板成形机能。通过引入新的升温、控温规划，传统的板料成形技术也被利用到钛合金板的成形中，如热旋压成形、数控渐进成形。本文介绍钛合金板超塑性成形、超塑/扩散衔接、热旋压、数控渐进成形和蠕造成形等先进成形造作技术，沉点论述其根基道理、工业利用和最新进展。

1、超塑性成形

1.1 超塑性成形根基道理

钛合金超塑性的重要机造为细晶超塑性，即当钛合金晶粒尺寸为2～10μm时，在适当的温度（TSP≥0.5Tm，TSP为超塑性温度，TTm为资料溶解温度）和应变速度（通常为10-4～10-2s-1）下会出现出超塑性。钻研批注：高的应变速度会显著减幼延长率，而过低的应变速度则会因晶粒过度长大导致延长率降落。因而，适当的应变速度下能力获得最大的延长率[2]。钛合金的超塑性成形通常是密封前提下，在钛合金板料一侧或两侧施加气体成形压力，依附板料的减薄获得与模具型腔相近的结构件表形，拥有优良的尺寸精度和表表质量[3]，不易出现传统板料成形过程中回弹和分裂等缺点[4]。但超塑性成形是耗时长、耗能高，高的变形温度会在肯定水平上推进氧化过程，导致微观组织机能的恶化[3]。钻研发现：从超塑/扩散衔接成形的蜂窝状Ti2AlNb钛合金构件上获得的单向拉伸试样，在各类温度前提下（室和善工作温度），相比原始板料阐发出降低的延长率和拉伸强度[5]。Jiang等[6]钻研了TA15钛合金高温超塑性成形前后的微观组织转变，了局发现：超塑性成形后资料均匀晶粒尺寸为10μm，相较于原始资料晶粒尺寸（5μm）存在显著的粗化，这在肯定水平上从微观角度诠氏缢力学机能降落的原因。

1.2 改进的超塑性成形

低温（相对）超塑性成形能够在肯定水平上预防或缓解高温所导致的表表氧化和微观组织恶化。当Ti-6Al-4V合金板料在800前提下，通过气胀超塑性成形多台阶盒形件时，再结 晶为重要的微观演化机造，使晶粒细化并提高了组织的均一性，金属的氧化情况也随温度的降低而改善[3]。 Liu等[7]在TA15钛合金板成形过程中给板料通电，利用板料自身电阻热达到超塑性成形温度，获得了更好的成形极限，并显著改善了成形效能，大幅度降低了能量损耗。 Comley[2]在钛合金超塑性成形过程中，选取变应变速度前提，即初始变形速度取高值，随后逐步减幼，既保障了成形极限，又缩短了成形功夫。

2、扩散衔接成形

2.1　扩散衔接根基道理

扩散衔接（diffusion bonding，简称DB）是一种通过光洁表表间的原子扩散而使两者结合的固态衔接技术，能够衔接同种或异种资料。高温前提和板料间的亲昵接触是实现扩散衔接过程中资料原子越过晶粒天堑的相互渗入扩散的根基前提[8]，通常当温度TDB≥0.5Tm（TDB为扩散衔接温度，Tm为资料溶解温度），并施加压机压力或气胀压力（通常选取氩气等惰性气体）时，可实现资料间的扩散衔接。

为了推进资料的焊合过程，待焊合的表表必要进行光洁处置，以获得足够的平面度和表表粗糙度，可选择酸蚀和超声波洗濯等步骤算帐表表[5]。光洁处置的重要主张是减幼待焊合表表间的空地，空地越幼，越有利于资料原子的扩散焊合[8]。与熔焊相比，固态扩散焊合过程不会引入异质焊剂，因而焊合区不容易引入残存应力，微观组织也易于维持或靠近原始资料。

Cepeda-Jimenez等[9]钻研了Ti-6Al-4V钛合金的板料多层扩散衔接结构，了局发现：750温度下会形成更多密排六方α相，减弱了表表孔隙的愈合，使得界面衔接处剪切强度降低；但厚向剪切强度是原始资料的7倍，批注该多层扩散焊结构合用于单向（厚向）受载场所。Li等[10]钻研了热循环对2295双相不锈钢扩散衔接的影响，了局发现：热循环的引入有助于加强原子核晶界的活动和细化焊合区的微观组织，从而使所获得的接头相较于传统扩散焊拥有更高的剪切强度。

当统一构件的分歧部位要求拥有分歧的个性时，时时将异种资料结合到一路，以充分阐扬各自的潜能。Kundu等[11]钻研了扩散衔接温度和功夫对Ti-6Al-4V与双相不锈钢间焊合接头力学机能的影响，了局发现：当扩散衔接温度和功夫别离为850和90min时，影响资料机能的金属间化合物的析出削减，从而获得最佳的接头机能。

2.2 超塑/扩散衔接成形

在钛合金板成形和装配过程中，常将超塑性成形与扩散衔接技术结合起来，即钛合金板料按预先设计的秩序，或同时经历部门扩散衔接与超塑性成形，板料之间的部门焊合可能局 部约束后续的超塑性成形过程，从而节造变形过程，以获得预见的内部层间结构。为实现有效的部门扩散衔接，板料间或统一板料分歧部位必要亲昵接触，通过上、下模具压住待焊合的多层板料，形成封关的模腔空间，并向腔内通入惰性气体，能够实现接触前提，随后将气体通入板料之间的间隙，提供均匀的超塑性成形，直至该夹层结构表层板料与模具型腔贴合，形成结构的表概括。该技术可用于成形和装配飞机机翼前缘，一种利用超塑/扩散衔接装配的Ti-6Al-4V合金D型机翼前缘如图1[12]所示。

超塑/扩散衔接技术宽泛利用于造作蜂窝状/胞状结构，在满足一致强度的前提下，拥有更低的相对密度，从而显著节俭资料，降低成本[5]。在成形过程中，首先要求相邻板料间有选择性地部门扩散焊合，随后在模腔中通过超塑性成形获得表部概括和内部加强结构。若要实现有选择性地部门扩散焊合，两板料间不必要焊合的部位应选取隔离剂隔离[8]。an等[13]利用SPF/DB实现了一种基于Ti-6Al-4V合金的X型多层桁架结构，如图2（a）[13]所示。在成形过程中，预先冲孔后栅格状芯板选择性地涂覆隔离剂，在上、下面板上施加气体压力，使芯板上、下表表别离与上、下面板部门扩散焊合，随后通过将气体通入多层板料间隙，使板料产生超塑性成形。分析发现：所获得焊合部位拥有足够的微观组织均一性和结构靠得住性[13]。

蜂窝状构件和空心叶片是两种典型的依附SPF/DB成形迪胙合金构件，如图2（b）[5]所示。

超塑/扩散衔接步骤也能够与其他成形步骤或衔接步骤相结合。Jiang等[6]将SPF/DB步骤与激光焊技术（LBW）相结合，用于成形拥有方形栅格结构的四层TA15钛合金夹心结构，从而显著缩短了出产功夫。板料在气胀前提下超塑性成形时，芯板与面板相接触或芯板自接触时，引起扩散焊合，前者焊合形成构件表形，后者焊合则形成方形栅格的筋部。

3、热旋压成形

3.1 根基道理

旋压成形指通过一个或多个旋轮作用于初始平板的旋转进给活动，逐步使板料与旋转芯模贴合，最终获得壁厚相对减薄的空心回转体零件的成形过程。由于旋压过程旋轮部门加 载，与传统的板料冲压成形过相比，载荷显著降低。旋压是一种柔性板料成形步骤，适合于出产复杂回转体零件的终成形件或近终成形件[14]，如锥形件、筒形件[15-16]等。对于室温下难以成形的轻合金，如钛合金、镁合金等，旋压必要在肯定温度下进行，称之为热旋压。由于统一温度下分歧资料或统一资料在分歧温度下力学机能存在显著差距，故在热旋压中温度的节造尤为沉要。Zhan等[17]综述了轻合金热旋过程的中8种板料的加热方式，如火焰加热、电阻炉加热、电磁感应加热、激光加热等。

3.2 工艺参数对热旋成形的影响

热旋成形的质量受多个工艺参数的影响，如成形温度、模具预热温度、旋轮尺寸和芯模转速等。Zhan等[14]钻研了偏离率和变形温度对热旋成形件几何精度和微观组织的影响，钻研批注：近零偏离率和合理旋压温度区间有利于提高成形件几何精度和微观组织均匀性。Yang等[18]钻研了TA15钛合金热旋成形过程温度、应力、应变、壁厚、贴模性的变动，系统地总结了各工艺参数对旋压件成形质量的影响法规。钛合金板料热旋压过程中，存在强烈的加工硬化，并伴随有再结晶软化机造。Chen等[19]钻研了 TA15管坯在热旋压过程中微观组织演化，随着壁厚的减薄，晶粒细化并拉长，形成沿轴向取向的纤维状微观组织。

3.3 热旋压过程热力耦合数值分析

热旋成形在较高温度下进行，因而存在复杂的热力学问题，蕴含热扩散、坯料与工模具间的热量传导、摩擦热等，这些过程又与工艺加载前提相互影响。因而，正确地实现热旋过程的热力耦合数值分析，实现成形过程的场量与变形法规预测显得尤为沉要。Mori等[20]假定热旋过程为等温过程，简化了成形温度场的仿照。

LI等[21]成立了TA15钛合金板热旋成形过程的三维热力耦合有限元模型，通过设置合理的温度天堑前提，实现表部热源的仿照。Dong等[22]则基于该热力耦合模型，钻研了热旋成形过程的变形机造，分析了多种成形成分对温度场散布的影响。钻研批注：较高的坯料温度和工模具预热温杜仔利于减幼厚向温度散布梯度，偏离率对厚向温度散布影响复杂，大的偏离率不利于板料贴模。

4、板料渐进成形

板料渐进成形（incrementa sheet forming，ISF）是一种无模柔性板料成形步骤，是指板料在周边受约束的前提下，利用端部为球形的圆柱形工具头，借助于数控铣床或工业机械人等数控系统，沿预先设定的螺旋线轨迹，顺次逐步使板料产生塑性变形，从而成形出所必要的薄壁构件。ISF技术成形载荷幼，适应性强，节约成本和能耗，合用于幼批量或定造式零件的急剧造作。若渐进成形过程中仅依附工具头施加载荷成形，称为单点渐进成形；若渐进成形过程中板料后手具头侧有模具支持，或板料两侧均有工具头作用，则称之为双点渐进成形。高温板料渐进成形（hot incrementa sheet forming，HISF）拓宽了渐进成形技术在诸如钛合金等室温难变形资料方面的利用，板料部门或整体达到成形温度，从而降低成形载荷，减幼回弹，改善成形个性。凭据热源的大局，目前高温板料渐进成形可分为自阻电加热板料渐进成形（Electric heating incremental plate formation, EHIF）[23-24]、激光辅助渐进成形（Laser Assisted Incremental Molding）[25]和电阻加热板料渐进成形[26]等。

自阻电加热板料渐进成形单一易行，但不易实现温度的精确节造。成形过程中电源的一极衔接板料，另一极衔接工具头，电流持续通过工具头，产生的电阻热累积引起工具头温度升高，加剧了工具头的氧化和表表磨损，并导致工件表表刮痕。Liu等[23]通过选取GH4169镍合金工具头，并结合动态部门电加热、滚动球头、内置水冷系统技术，提高TC4钣金件的表表质量（见图3），降低了工具端面的磨损。Naｊafaba-dy等[24]钻研了钛合金自电阻加热板料渐进成形中各过程参数对成形件尺寸精度、表表质量和加工硬化水平的影响。了局批注：成形件尖端存在较大的尺寸误差，而工具头侧板料表表相较于后手具头侧拥有更好的硬度。

高温渐进成形质量受工艺规划和工艺参数（如工具头直径、进给量、侧壁倾角等）的影响，在工艺规划的选择中，选取多路次和相宜的工具头轨迹可能获得越发均匀的应变散布[ 27-29]，Ji等[28]在高温渐进成形球形件时，选取锥形件作为预成形，二路次再成形为球形件；Yamashita[29]选取螺旋形的工具头轨迹，获得越发均匀的应变散布。为了降低工具头和板料之间的摩擦，改善成形件的表表质量，能够在板料上覆盖光滑剂，Najafabady等[24]使用Mos2粉末作为光滑剂，Zhang等[30]使用多孔陶瓷资料覆盖在板料表表以维持光滑。Khazaali等[26]钻研了成形温度、进给量、工具头直径等对成形极限、回弹、拉伸深度、终成形温度等的影响，发现大的进给量和大的工具头半径有利于提高成形性及 成形深度，高的成形温度可能有效抑造回弹。

5、蠕造成形

蠕造成形[31]是指肯定温度下，金属板料在工模具的作用下变形获得梦想状态后，维持温度和载荷不变，使工件内部产生应力松弛，弹性应变向永远塑性应变转变，直至残存应力和回弹根基解除，最终冷却后获得梦想的工件状态。

蠕造成形过程中蠕变驱动力为表加应力，随着蠕变进行，弹性应变削减使得内应力削减，表加应力也相应削减[32]。Xiao等[33]总结了钛合金薄壁零件数控热拉伸蠕变复合成形钻研进展。该技术重要利用自阻加热步骤实现蠕变温度，可能适应分歧规格、幼批量零件的火速造作。Deng等[34]钻研了L型梁拉弯前提下蠕造成形过程，发现应力松弛能够划分为两个阶段：第一阶段应力降落迅速；第二阶段应力松和缓慢。

蠕变与应力松弛在机理上是统一的。Liu等[35]钻研了热校形中蠕变与应力松弛的关系。钻研批注：钛合金在低温低应力下蠕变以原子扩散为主，高温高应力下以位错滑移和攀移为主，而应力松弛在分歧温度时均以位错攀移为重要变形机造。

6、结论

本文系统分析了钛合金板超塑性成形、超塑/扩散衔接、热旋压成形、渐进成形和蠕造成形等先进成形技术的钻研近况和新近进展。由于钛合金结构件多利用于航空航天等沉要领

域，要求其拥有优异的力学机能，故而钛合金板成形造作技术要求高质量、低成本、柔性化，并充分阐扬和利用钛合金的高温成形个性。结合钛合金零件的结构大局，合理地选择相应的成形技术，或将分歧的成形方式相结合，阐扬各自的优势。分歧于低温成形资料，钛合金在高温下能力充分阐扬其成形机能，未来开发或改进钛合金板料成形技术过程中，必要索求高效节能的板料及工模具升温控温解决规划，同时预防高温前提所引起的组织恶化和表表氧化，从而获得尺寸精度高、力学机能优异迪胙合金结构件，实现轻量化的要求。

参考文件：

[1]　STUTZ　L，BECK　W，ARENDS　S，et　al．Materialsaving　and　cost　reduction　with　hot　formingof　U- shaped　titanium　part[J]．Materialwissenschaft　UndWerkstofftechnik，2014，45（9）：841-846．

[2]　COMLEY　P．Multi-rate　superplastic　forming　of　finegrain　Ti-6Al-4Vtitanium　alloy[J]．Journal　of　Mate-rials　Engineering　and　Performance，2007，16（2）：150- 154．

[3]　LIU　J，TAN　M　J，GUO　M，et　al．Superplastic-likeforming　of　Ti-6Al-4V alloy[J]．International　Journalof　Advanced　Manufacturing　Technology，2013，69（5-8）：1097-1104．

[4]　BAENES　A　J．Superplastic　forming　40years　andstill　growing[J]．Journal　of　Materials　Engineeringand　Performance，2007，16（4）：440-454．

[5]　DU　Z　H，JIANG　S　S，ZHANG　K　F，et　al．Thestructural　design　and　superplastic　forming/diffusionbonding　of　Ti2AlNb　based　alloyfor　four-layer　struc-ture[J]．Materials。esign，2016，104：242-250．

[6]　JIANG　S　S，LI　B　Y，LIU　Y，et　al．LBW/SPF/DBcombined　processing　and　microstructure　of　TA15ti-tanium　alloy　four-layer　sandwich　structure　withsｑuare　grid[J]．Advances　in　Mechanical　Engineer-ing，2014，6：563047．

[7]　LIU　J，ZHANG　K．Resistance　heating　superplasticforming　and　influence　of　current　on　deformationmechanism　of　TA15titanium　alloy[J]．InternationalJournal　of　Advanced　Manufacturing　Technology，2015，76（9-12）：1673-1680．

[8]　SPENCE　P　J，HALL　F　R，EMEKWURU　N．Pre-liminary　study　of　improvingthe　speed　and　cost　ofdiffusion　bonding　of　metal　sheets[J]．Proceedings　ofthe　Institution　of　Mechanical　Engineers，Part　B：Journal　of　Engineering　Manufacture，2014，228（1）：95-110．

[9]　CEPEDA-JIMENEZ　C　M，CARRENO　F，RUANOO　A，et　al．Influence　of　interfacial　defects　on　the　im-pact　toughness　of　solid　state　diffusion　bonded　Ti-6Al-4Valloy　based　multilayer　composites[J]．Mate-rials　Science　and　Engineering　a-Structural　MaterialsProperties　Microstructure　and　Processing：A，2013，563（7）：28-35．

[10]　LI　S　X，REN　X　P，HOU　H　L．The　effect　of　ther-mal　cycling　in　superplastic　diffusion　bondingof2205duplex　stainless　steel[J]．Materials。e-sign，2015，86：582-586．

[11]　KUNDU　S，SAM　S，CHATTERJEE　S．Evalua-tion　of　interface　microstructure　and　mechanicalproperties　of　the　diffusion　bonded。阰ints　of　Ti-6Al-4Valloy　to　micro-duplex　stainless　steel[J]．Materi-als　Science　and　Engineering：A，2011，528（15）： 4910-4916．

[12]　ORTIZ　A　A，GAFO　J，SANCHEZ　P，et　al．Tech-nical　and　industrial　approaches　for　super　plasticforming　and　diffusion　bonding（SPF/DB）titaniumalloy　leading edge　manufacturing[J]．Materialwis-senschaft　Und　Werkstofftechnik，2014，45（9）：785-792．

[13]　TAN　Z　L，BAI　L　S，BAI　B　Z，et　al．Fabrication　oflattice　truss　structures　by　novel　super-plasticforming　and　diffusion　bonding　process　in　a　titaniumalloy[J]．Materials。esign，2016，92：724-730．

[14]　ZHAN　M，WANG　Q　L，HAN　D，et　al．Geometricprecision　and　microstructure　evolution　of　TA15al-loy　byhot　shear　spinning[J]．Transactions　of　Non-ferrous　Metals　Society　of　China，2013，23（6）：1617-1627．

[15]　WAN　Q，LI　F　G，LI　C　L，et　al．Simulation　onpower　spinning　process　for　cylindrical　parts　of　tita-nium　alloy[J]．Hot　Working　Technology，2012，41（1）： 98-100．

[16]　JIANG　S　Y，ZHANG　Y　Q，ZHENG　Y　F，et　al．Deformation　mechanism　of　hot　spinning　of　NiTishape　memory　alloy　tube　based　on　FEM[J]．Jour-nal　of　Wuhan　University　of　Technology-MaterialsScience　Edition，2012，27（5）：811-814．

[17]　ZHAN　M，YANG　H，GUO　J，et　al．Review　onot　spinning　for　difficult-to-deform　lightweightmetals[J]．Transactions　of　Nonferrous　Metals　So-cietyof　China，2015，25（6）：1732-1743．

[18]　YANG　H，FAN　X　G，SUN　Z　C，et　al．Some　ad-vances　in　local　loading　precision　forming　of　largescale　integral　complex　components　of　titanium　al-loys[J]．Materials　Research　Innovations，2011，15（s1）：493-498．

[19]　CHEN　Y，XU　W　C，SHAN　D　B，et　al．Micro-structure　evolution　of　TA15titanium　alloy　duringhot　power　spinning[J]．Transactions　of　NonferrousMetals　Society　of　China，2011，21（s2）：323-327．

[20]　MORI　K　I，ISHIGURO　M，ISOMURA　Y．Hotshear　spinning　of　cast　aluminium　alloy　parts[J]．Journal　of　Materials　Processing　Technology，2009，209（7）：3621-3627．

[21]　LI　H，ZHAN　M，YANG　H，et　al．Coupled　thermal-mechanical　fem　analysis　of　power　spinning　of　titani-um　alloy　thin-walled　shell[J]．Journal　of　Mechani- cal　Engineering，2008，44（6）：187-193．

[22]　DONG　H，MEI　Z，HE　Y．Deformation　mechanismof　TA15shells　in　hot　shear　spinning　under　variousload　conditions[J]．Rare　Metal　Materials　and　Engi-neering，2013，42（2）：243-248．

[23]　LIU　R，LU　B，XU　D，et　al．Development　of　noveltools　for　electricity-assisted　incremental　sheet　form-ingof　titanium　alloy[J]．The　International　Journal of　Adanced　Manufacturing　Technology，2016，85（5）：1137-1144．

[24]　NAJAFABADY　S　A，GHAEI　A．An　experimentalstudy　on　dimensional　accuracy，surface。駏ality，andhardness　of　Ti-6Al-4V titanium　alloy　sheet　in　hotincremental　forming[J]．International　Journal　ofAdvanced　Manufacturing　Technology，2016，87（9-12）：3579-3588．

[25]　DUFLOU　J　R，CALLEBAUT　B，VERBERT　J，etal．Laser　assisted　incremental　forming：formabilityand　accuracy　improvement[J]．CIRP　Annals-Manu-facturing　Technology， 2007，56（1）：273-276．

[26]　KHAZAALI　H，FERESHTEH-SANIEE　F．A　com-prehensive　experimental　investigation　on　the　influ-ences　of　the　process　variables　on　warm　incrementalforming　of　Ti-6Al-4Vtitanium　alloyusinga　simpletechniｑue[J]．International　Journal　of　Advanced Manufacturing　Technology，2016，87（9-12）：2911-2923．

[27]　HIRT　G，AMES　J，BAMBACH　M，et　al．Formingstrategies　and　process　modelling　for　CNC　incrementalsheet　forming[J]．CIRP　Annals-ManufacturingTechnology，2004，53（1）：203-206．

[28]　JI　Y　H，PARK　J　J．Incremental　forming　of　freesurface　with　magnesium　alloy　AZ31sheet　at　warmtemperatures[J]．Transactions　of　Nonferrous　Met-als　Society　of　China，2008，18（s1）：165-169．

[29]　YAMASHITA　M，GOTOH　M，ATSUMI　S　Y．Numerical　simulation　of　incremental　forming　ofsheet　metal[J]．Journal　of　Materials　Processing Technology，2008，199（1）：163-172．

[30]　ZHANG　Q，XIAO　F，GUO　H，et　al．Warm　nega-tive　incremental　forming　of　magnesium　alloy　AZ31sheet：New　lubricating　method[J]．Journal　of　Ma-terials　Processing　Technology，2010，210（2）：323-329．

[31]　SINHA　N　K，SINHA　S．Stress　relaxation　at　hightemperatures　and　the　role　of　delayed　elasticity[J] Materials　Science　and　Engineering：A，2005，393（1-2）：179-190．

[32]　HO　K　C，LIN　J，DEAN　T　A．Modelling　of　spring-back　in　creep　forming　thick　aluminum　sheets[J]．International　Journal　of　Plasticity，2004，20（4-5）：733-751．

[33]　XIAO　J，LI　D，LI　X，et　al．State　of　the　art　of　hotstretch-creep　compound　formingfor　thin-wall　tita-nium　alloy　components[J]．Rare　Metal　Materialsand　Engineering，2013，42（12）：2629-2635．

[34]　DENG　T，LI　D，LI　X，et　al．Hot　stretch　bendingand　creep　formingof　titanium　alloy　profile[J]．Pro-cedia　Engineering，2014，81：1792–1798．

[35]　LIU　P，ZONG　Y，GUO　B，et　al．Relation　betweenshort-term　creep　and　stress　relaxation　of　titaniumalloyat　high　temperature[J]．Chinese　Journal　of Materials　Research，2014，28（5）：339-345．