基于钛合金舵面的超塑成形/扩散连接工艺

欧阳金栋，刘慧慧，马俊飞，易龙，黄海龙，王直

(江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西 南昌 330024)

0 引言

超塑成型/扩散连接(SPF/DB)组合工艺是一种先进的塑性加工新技术，常用于传统方法难以成形的、形状较为复杂的薄壁结构零件。SPF/DB工艺根据SPF和DB先后顺序不同，SPF/DB工艺可分为如下三种形式：先DB，后SPF；先SPF，后DB；SPF与DB同时进行。采用哪种方法好要视结构和工艺需要而定[1-3]。过去几年国内外已在积极研究多层板的SPF/DB成形工作[4-6]，如舱门、机身框架、隔热罩、热交换导管、前缘缝翼、进气道、后机身下整流片等零件，被广泛应用于航空航天飞行器上[7]，以往用铆制与螺钉紧固的组合件，现在可以采用SPF/DB工艺来制造。该工艺为大型整体结构件生产提供了新途径，可节省大量的连接、紧固与装配工序。采用整体件还能提高器件的寿命及整体性能，而且降低了生产成本。现在这种工艺已被美国、欧洲等世界发达国家认定为一种现代化制造技术，进而将对航空航天飞行器的设计制造产生巨大影响[8]。此外在减小质量、延长寿命、降低成本、改善性能等方面具有传统的成型工艺无法比拟的优越性[9-10]。

国内外近几年对SPF/DB工艺进行了大量研究，门向南研究了TC4钛合金三层板结构件的SPF/DB工艺，分析了应变速率对成形时间和结果的影响，计算了在最佳成形应变速率条件下的加载压力-时间曲线，成功制得了三层板结构试验件[11]。韩国航空宇宙研究院的J.H.Yoon研究了钛合金多层板结构的超塑气胀成形/扩散连接工艺，通过有限元方法得出了优化的P-T曲线，并将实验结果与有限元模拟结果进行了对比[12]。徐伟研究了TC4钛合金四层板结构空心叶片的超塑性成形技术等[13]。虽然目前国内对多层板的SPF/DB技术进行了大量研究，而且在双层板和三层板的SPF/DB技术已经很成熟，但对于四层板的SPF/DB成形有待进一步的深入研究。本文针对应用于某型号导弹钛合金舵面，采用SPF/DB的组合工艺成形方式对TC4钛合金板进行试验研究。

1 试验方案与设备

1.1 试验方案

随着飞行器朝着超音速、高超音速快速发展，对舵面的结构性能提出了极高的要求。某飞行器舵面的外形由多个平面拼接而成的、封闭整体结构，安装边具有一定高度且分布有安装孔。安装孔分布在一定大小的安装座上，以减缓集中力的作用，保证舵、翼面零件与弹体零件的连接强度、稳定性和可靠性。其内部结构为空心十字筋结构，加强筋结构采用辐射网格式，靠近安装座区域，立筋呈放射状；安装座区域为实体结构，为避免应力过度集中，通过加强片实现厚度过渡。结构上缘及舵面的前缘均存在实体结构，以增强结构的强刚度。其外形及内部结构形式如图1所示。

图1 舵面外形及其内部结构形式

舵面体在工作过程中两表面最大压差为0.27MPa，要求舵体在满足强度要求的情况下，产生的最大刚度位移不大于7mm，舵面展弦比约为0.63，为小展弦比翼面。鉴于舵面零件气动内外形结构及技术要求的特殊性，采用以下结构成形方案，即四层板+局部实体的成形方案，成形出带十字筋的空心结构，其成形原理如图2所示。该方案突破了传统的舵面所采用的蒙皮-骨架实体结构，制造出了薄壁空心的钛合金舵面，在满足设计要求性能的同时，实现了结构的轻量化，获得了显著的减重效益。

图2 舵面成形工艺原理图

为了实现设计多要求的结构，在工艺上采取了“薄板+实体”的混杂四层结构形式，如图3所示，实现了结构安装连接、强刚度满足要求；同时，鉴于结构均为斜面结构，为了实现零件成形质量的稳定，维持成形压力的平衡，在工艺上采取了一坯两件的方式，如图4所示。

图3 舵面工艺成形结构形式

图4 一坯两件结构形式

1.2 试验材料与设备

根据超塑性变形机理，具有细小的晶粒度和高温下的微细组织的稳定性是超塑性材料的两个基本特征。α+β型钛合金是常用的三类钛合金中最符合要求的一类，其本身具有细小的晶粒，晶粒尺寸为5～15μm，并由于其为两相组织，在高温下两相相互制约，使得晶粒难以长大，能够保持为微细组织，利于超塑性成形。

航空航天工业常用的TC4钛合金即属于α+β型钛合金，其具有比强度高、耐腐蚀等许多优良的性能。本文试验材料采用厚度为芯板0.8mm和面板1mm的TC4板材，TC4主要质量分数如表1所示。

表1 TC4钛合金主要质量分数 %

试验超塑成形/扩散连接设备采用FSP400T的机床，由加热系统、液压系统、气压控制系统组成，可以很方便地控制炉内模具温度及气压加载过程，其外形如图5所示。

图5 舵面SPF/DB成形设备FSP400T

1.3 成形工艺及流程

根据上述舵面所确定的SPF/DB工艺成形方案，SPF/DB成形毛坯成形组件除一般四层结构的外层板与内层板以外，还包括安装座、加强片、上缘/前缘实体。安装座即位于舵面安装边一侧，与内外层板在SPF/DB后形成一个宽度为5 mm(安装连接孔区域除外)左右的实体边；为尽可能提高安装孔区域的承载能力并减少蒙皮厚度突变的影响，在安装座孔区域增加了加强片，在缓解应力集中的同时，提高了结构的强刚度。

舵面成形工艺流程如图6，其中主要的工序有：毛坯组件加工、图形制备、成形工序SPF/DB及检测。SPD/DB工序是舵面由板材成形为零件的重要工序，零件外形、立筋成形质量、扩散连接质量都是由该工序完成，因此该工序被确认为特殊过程。

图6 舵面成形工序

舵面外形依靠成形模具来保障，同时通过模具的闭合实现成形毛坯四周边缘的扩散连接。模具结构如图7所示。在模具结构上，主要包括吊挂结构、热电偶孔、成形毛坯定位结构、上下模具定位结构等；同时，为保障舵面成形质量的稳定性与减少修模次数，应保障模具具有足够的刚强度，模具材料选用耐高温的材料GH4169。

图7 舵面SPF/DB成形模具

2 试验结果与讨论

2.1 舵面成形工艺参数

舵面所采用的SPF/DB工艺参数，将直接影响零件的强度和性能。在SPF/DB工艺过程中，主要的工艺参数有温度、压力、时间、加压速率等。各参数之间有着相互依赖的密切关系。

温度是影响扩散连接质量的重要工艺参数，直接或间接地影响着成形零件的扩散连接质量。钛合金通常在860℃～1 280℃温度范围内只要压力和时间合适，都能得到较好的焊接质量。对于TC4来说，β相变温度为940℃～995℃，温度超过940℃，相开始向β相转变，随温度的增加，转变加快，同时晶粒逐步增大，影响超塑成形和扩散连接的顺利进行。

压力是扩散焊接表面能否紧密接触的重要因素。提高扩散连接压力能显著地缩短连接时间，从而减轻材料组织长大程度，有利于超塑成形。但是压力不能过高，否则对模具、设备和构件变形均有不利影响。此外在一定的工艺条件下，超塑成形所需压力主要取决于板材厚度、结构件形状复杂程度和原材料晶粒大小。

进行多层结构的SPF/DB时，时间也是个重要参数，而且接头强度也是随着连接时间的增加而提高，直至达到基体金属的强度。但如果时间过长晶粒进一步长大，导致材料的塑性下降。

通过多次的SPF/DB试验研究，发现成形该舵面的最佳成形温度为910℃，初始加床压20t～40t，当气压达到0.8MPa，液压增大到80t～100t(气压降低时反顺序调节)；外层进气时，内层持续抽真空至保压阶段或以后，外层气路在10min内进气到1.5MPa并保压80min～100min后放气；内层进气到1.5MPa～2.0MPa，并保压150min。

2.2 SPF/DB舵面的质量

1) 焊合率

在常温、无强光、无高噪声的环境下采用S314005对扩散连接后毛坯进行超声检测，安装座区域焊合区不小于95%，而其他区域焊合率也高于90%，单个焊合面积不大于50 mm2，相邻两个扩散连接未焊合缺陷的间距不小于其中较大缺陷轴长度。

2) 微观组织

采用Leica DM6000M金相显微镜观察扩散连接后材料的显微组织，如图8所示。从图8中可以看出组织为等轴相+晶间β相，相等轴晶粒度级别指数大于9级，较原始组织没有发生太大变化，即材料在经过超塑成形/扩散连接后力学性能没有发生太大的变化。

图8 SPF/DB成形后材料的微观组织

3) 力学性能

为了检测SPF/DB后材料的力学性能是否合格，通过电子万能试验机对SPF/DB后的材料(随炉试样)进行常温及高温的拉伸试验，选取的温度点有25 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃，其力学性能如表2所示。

表2 舵面随炉试样SPF/DB后材料的力学性能

从表2中数据可以看出，SPF/DB后材料的常温抗拉强度为910 MPa，与原始材料的常温性能基本没有变化，在高温500 ℃下材料的抗拉强度也达到499 MPa，满足导弹在飞行中产生高温下的力学性能。

4) 零件几何外形及内部结构

图9是SPF/DB成形出的舵面，从其外形可以看出空腔表面处没有凹陷，成形出的舵面经过机加修剪边线与模型基本一致。

在温度为20℃、湿度为50%RH条件下采用三坐标测量机对其外形轮廓进行检测，轮廓偏差为-0.304～0.340 mm，偏差很小，合格。

为了检测其内部筋条结构是否合格，采用MG226型X射线机对其内部结构进行检测，经检测在其筋格结构未发现超标缺陷，结构成形完好。

图9 SPF/DB成形出的舵面

3 结语

1) 温度、压力、时间、加压速率等工艺参数直接影响SPF/DB成形零件的强度和性能，舵面的最佳成形工艺参数：温度为910 ℃，初始加床压20 t～40 t，当气压达到0.8 MPa，液压增大到80 t～100 t；外层气路在10 min内进气到1.5 MPa并保压80 min～100 min后放气；内层进气到1.5 MPa～2.0 MPa，并保压150 min。

2) SPF/DB成形出的舵面空腔表面处没有凹陷，成形出的舵面经过机加修剪边线与模型基本一致，内部筋格完好。焊合率达90%以上，材料微观组织在经过超塑成形/扩散连接后力学性能没有发生太大的变化，力学性能合格。

[1] Li Z Q, Li X H. The application of SPF/DB combined welding technologies[J]. Materials Science Forum, 2007, 511/512:49-54.

[2] 吴诗惇. 金属超塑性变形理论[M]. 北京: 国防工业出版社, 1997: 13-18.

[3] 曲凤盛, 张凯锋, 吕宏军. GH4169高温合金多层板结构的激光连接/超塑成形组合技术[J]. 航空材料学报, 2009, 25(4): 27-32.

[4] LARRYDH. D. H. Innovations in the super-plastic forming and diffusion bonding process[J]. Materials Engineering Performance, 2008, 17(2): 178-182.

[5] 李梁, 孙建科, 孟祥军. 钛合金超塑性研究及应用现状[J]. 材料开发与应用, 2004, 12：43-83.

[6] QU F S, LU Z, XING F , ZHANG K F. Study on laser beam welding/superplastic forming technology of multi-sheet cylinder sandwich structure for Inconel718 superalloy with ultra-fine grains[J]. Materials and Design, 2012, 39: 151-161.

[7] 李志强, 郭和平. 超塑成形/扩散连接技术的应用进展和发展趋势[J]. 航空制造技术, 2010(8): 32-35.

[8] 陈科斌, 张凯锋, 王仲仁. 板材超塑成形/扩散连接过程的三维有限元模拟[J]. 塑性工程学报, 1998, 5(2): 20-25.

[9] Jung-Ho Cheng. The determination of material parameters from superplastic inflation tests[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1996, 58: 233-246.

[10] Paul D. Edwards, Daniel G. Sanders, M. Ramulu, et al. Thinning Behavior Simulations in Super plastic Forming of Friction Stir Processed Titanium 6Al-4V[J]. Journal of Materials Engineering and Performance. 2010, 19(4): 481-487.

[11] 门向南. TC4三层板结构超塑成形/扩散焊接工艺研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2010.

[12] J.H. Yoon, H.S. Lee, Y.M. Yi. Finite element simulation on superplastic blow forming of diffusion bonded 4 sheets[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 201: 68-72.

[13] 高庆峰. 宽弦空心风扇叶片超塑成形的数值仿真研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2008.