1、宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期TC2钛合金薄壁型材下陷成形工艺参数分析及优化张明杰 齐立春 黄利军 李雪飞 吴泽浩（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）文摘 采用试验和计算机模拟相结合的方法，对TC2钛合金薄壁型材的单边下陷成形工艺开展研究。通过在室温至600 范围内对TC2合金型材的热拉伸变形行为进行分析，建立了该型材热拉伸的Johnson-Cook本构模型。在此基础上，对L截面TC2钛合金型材的单边下陷过程进行计算机模拟，分析了下陷过程中型材应力、应力三轴度的分布。结果表明，下陷区L拐角处容易产生应力集中，由于变形前段该区域的应力三轴度Rd0，呈拉应力状态，因此
2、微裂纹容易在应力集中处形核并沿型材纵向扩展。通过对成形温度、下陷段长度和过渡圆角半径进行优化，得到最佳工艺参数条件为成形温度300，下陷区长度21 mm，过渡圆角半径49 mm。关键词 钛合金薄壁型材，下陷成形，本构模型，应力状态，有限元仿真中图分类号：TG316.1 DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.006Parameter Analysis and Optimization of Subsidence Deformation for Thin-walled TC2 Alloy ProfilesZHANG Mingjie QI Lichun HUAN
3、G Lijun LI Xuefei WU Zehao（AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095）Abstract In this paper，the subsidence deformation processing of the thin-walled TC2 alloy profile was studied by thermal tensile tests and computer simulations.First，the hot tensile deformation behavior of the
4、 TC2 alloy profile was analyzed in the temperature range from room temperature to 600 .Then，Johnson-Cook constitutive model was used to describe the hot tensile deformation behavior.Through computer simulations，the distributions of stress and stress triaxiality during subsidence deformation were ana
5、lyzed.The results show that stress concentration is easy to occur at the corner of L in the subsidence area，and it is tensile stress due to the stress triaxial Rd0 of the area before deformation.With the increasing deformation，the crack extends in lengthwise direction of the profile.By optimizing th
6、e forming temperature，the length of the subsidence area and the transition radius，the best subsidence deformation processing parameters for the TC2 alloy profile are deformation temperature is 300，length of subsidence deformation zone is 21 mm，interim fillet radius is 49 mm.Key words Titanium alloy
7、profiles，Subsidence deformation，Constitutive model，Stress state，Finite element simulation0 引言钛合金型材是一种具有特定截面的长条状金属制品，可通过点焊、氩弧焊或铆接的方式与舱体、壁板等结合，以提高其机构强度，具有结构效益较高的特点，被广泛应用于飞机长桁、发动机隔框、连接接头、角材等承力或次承力结构件。目前国内钛合金型材制备工艺主要有热挤压和轧制，具备生产L形、T形、Z形、U形等多种截面钛合金型材的能力，可满足不同结构的工艺需要1-3。型材使用过程中与壁板多采用面（型材）-面（壁板）、边（型材）-面（壁板
8、）方式结合。面-面结合时，在壁板搭接部位的台阶处结合难度较大，点焊后虚接部位在内应力作用下容易开裂，影响结合强度。为了满足结合强度要求，型材在上述部位结合前需要根据台阶高度对结合面进行下陷成形，以达到提高焊点结合强度，减少焊后残余应力的目的。下陷成形是对型材侧边进行压制，进而成形出台阶的一种加工方法，分冷下陷和热下陷两种加工收稿日期：2022-04-22基金项目：航材院钛合金型材应用研究项目（KZ82171509）第一作者简介：张明杰，1984年出生，博士，高级工程师，主要从事钛合金研发与加工工艺的研究工作。E-mail：zmj_ 43宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期方式4-5。
9、冷下陷多用于轻质金属，优点是成形后零件表面质量好，尺寸精度高；热下陷多用于难变形材料，可减小变形后的回弹量和残余应力6-7。研究表明无论采用何种加工方式，型材下陷过程中塑性变形主要集中在下陷段，而其他部分的变形量较小，可忽略不计。因此，型材下陷加工应力集中程度较高，下陷深度、成形温度、下陷段长度等参数下陷加工影响很大，若参数选用不恰当，下陷区域就容易产生裂纹、褶皱等加工缺陷，影响零件性能。此外，钛合金强度高、变形后容易回弹，进一步加大了钛合金型材下陷成形的难度。本文以机体结构件广泛采用的TC2钛合金为目标，选择截面为等边L形的薄壁型材下陷典型件作为研究对象，对该型材的单侧边下陷成形工艺进行研究
10、，利用计算机模拟的方法分析下陷深度、温度等参数对型材整体应力状态的影响，优化加工参数，达到提高零件成形质量的目的。1 型材本构模型钛合金多采用两相区热加工成形，以获得良好的强度和塑性匹配，但钛合金热变形抗力大，属于难变形材料，因此钛合金型材挤压成形一般采用温度在相变点以上的单相区挤压成形。热挤压成形后的TC2钛合金型材的显微组织照片如图1所示，组织呈现出单相区大变形后的魏氏组织特征。计算机模拟作为一种高效的研究手段，多用于材料的变形行为研究，但其计算结果受材料模型准确度影响较大，模型越精确，计算结果与真实情况吻合度就越高。为了揭示TC2钛合金型材下陷过程中下陷区的应力和应变分布与下陷深度、下陷
11、温度、过渡圆角等成形参数之间的关系，需要有限元材料模型能准确描述TC2合金下陷过程中的变形行为，以提高下陷计算机模拟结果的计算精度。型材下陷成形属于钣金加工的一种，成形过程中下陷区主要受拉应力作用，因此，首先通过热拉伸试验建立了TC2型材热拉伸本构模型。试验所用拉伸试样均从型材上直接切取，拉伸温度分别为室温、100、200、300、400、500和600，拉伸速率为0.5 mm/s。不同温度下TC2合金型材的拉伸变形行为见图2。Johnson-Cook模型适用于描述大多数金属材料在高温、大变形条件下的变形行为8-9，因此本文采用该模型来构建TC2合金型材的热拉伸变形行为与变形参数之间的关系。J
12、ohnson-Cook模型的结构形式如下10：=(A+Bn)1+C(ln?r)(1-(T-TrTm-Tr)m（1）式中，为塑性应变，?为等效应变速率，?r为参考速率，Tr为参考温度，T为变形温度，Tm为材料的熔点，A、B、C、n、m 为材料相关的常数。经过多次线性拟合，得到TC2合金型材的热拉伸本构模型为：=(712+9.775-0.209)(1-T*0.766)（2）2 下陷有限元模型钛合金下陷成形试验在自由锻液压机上进行，下陷前将模具放置在压机下平砧上，用热料将模具预热到200，同时利用电阻炉将TC2合金等边L型材坯料加热至指定下陷温度，保温20 min。下陷时，将型材毛坯快速从加热炉转移
13、至模具型腔内，利用压机上平砧作用下陷模具，完成型材的下陷成形。若进行冷下陷成形则无需对模具和型材毛坯加热，室温下可直接将型材毛坯放置在模具型腔内下陷成形。钛合金型材下陷零件的外廓尺寸初步设计为：纵向长度150 mm，侧边宽度31 mm，壁厚1.6 mm，下陷段的长度14 mm，下陷深度4.5 mm，过渡圆角半径7 mm。根据典型件建立的下陷有限元模型见图3，图中型材位于上模与下模之间，型材的非下陷侧边与模具之图2TC2合金型材在不同温度下的应力-应变曲线Fig.2The true stress vs.true strain curves of TC2 alloy profile under d
14、ifferent temperatures图1TC2合金型材的显微组织Fig.1Microstructure of TC2 alloy profile 44宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期间的距离为0.5 mm，下陷侧边与模具接触。考虑到型材壁厚较薄，下陷过程中型材对模具的影响较小，因此本文仅保留下陷模具型面的几何形状，忽略质量、材质厚度等因素，简化为平面几何。简化后的上、下模具均设定为刚体，有限元网格采用具有四节点的四边形面单元，单元尺寸为1 mm。模型中型材的外廓与实物完全相同，设定为弹塑性可变形体，网格采用具有八节点的六面体单元，壁厚方向每个单元的尺寸为0.4 mm，纵向、
15、横向每个单元的尺寸均为1 mm。以下结合下陷成形试验对型材冷、热下陷过程分别进行有限元模拟，其中冷下陷时，模具与型材设定的温度均为室温（25）；热下陷时，模具设定初始温度场为 200，型材设定的加热温度分别为 200、300、400和500。3 结果及分析研究表明型材下陷时塑性变形主要发生在下陷区域，该区域内产生的应力值明显高于其他部位，容易形成应力集中。图4为TC2钛合金薄壁型材下陷形成的纵向裂纹，裂纹萌生于下陷区域的过渡圆角处并沿型材纵向扩展。裂纹萌生的位置和扩展趋势表明，下陷过程中型材内部除了受压应力作用外，局部位置还受拉应力作用，导致裂纹从拉应力集中处形核。因此，型材下陷成形除了要考虑
16、残余应力对零件成形精度的影响，还要考虑下陷过程中应力、应变等状态参数的分布，针对不同下陷深度优化下陷区长度、过渡圆角、下陷温度等参数，防止加工缺陷的产生。3.1 下陷过程的型材变形特征TC2钛合金L截面薄壁型材单边下陷成形过程模拟结果见图5，下陷变形过程中存在三个塑性变形区，分别位于下陷段的两个过渡圆角处和垂直下陷区的立面。当下陷变形量较小时，型材与上模接触部位最先发生塑性变形，但应力峰值位于型材下陷区域的L形拐角附近。所述应力集中区域与图3中开裂位置基本相同，这表明下陷裂纹形核起始于下陷初始阶段的应力集中区。随着下陷变形量的逐渐增大，L形拐角附近的高应力区沿着型材纵向、过渡圆角和未成形的立面延伸。当下陷量达到最大时，整个下陷区、垂直下陷区的立面以及型材L型拐角处均为高应力区，该区域以下陷区为中心，呈放射状分布。应力状态能够表示材料变形时内部承受应力的情况，材料受到的应力状态不同，其内部产生的塑性变形失稳情况也不同。而应力状态参数是用来反应材料受力时应力状态的指针，可以描述材料的塑性变形规律和损伤情况11-12。常见的应力状态参数有应力三轴度Rd、软性系数、罗的参数等13，其中应力三轴
