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摘要 ：由于钛合金具有密度低、强度高、抗蚀性好等优点， 其在各种高科技领域中被广泛应用，但是钛合金冷加工相对较 难， 因此在钛合金塑性成形方面应当不断创新发展， 提高钛合金 的应用水平。本文基于钛合金塑性成形特点， 通过研究分析现有 文献，论述了钛合金塑性成形关键技术发展现状以及未来发展趋势， 以期能够为相关工作者提供借鉴与帮助。
关键词 ：钛合金,塑性成形,关键技术
近年来，钛合金因其具有密度小、强度高、抗蚀性好、低温 性能好等特点而得到了广泛的使用。但由于其冷塑性能差、回弹 性大、加工难度大等特点，因此，目前的钛合金加工技术多为热 压成型，由于高温下的钛合金容易发生氧化、磨损等问题，同时 还需要相应的耐高温模具和加热设备，在操作方面也需要更多 成本。因此， 研究钛合金塑性成形关键技术发展现状及未来发展 趋势， 对提升钛合金应用水平而言有着重要意义。
1 钛合金板料塑性成形技术研究
1.1 等温成形技术
等温成形工艺能有效提高板料的塑性和流动性能，提高金 属流动的均匀性，降低变形压力。有人提出了使用等温成形技 术(将坯料、模具都加热到变形温度，并在成形过程中，坯料 和模具温度基本上保持不变的成形方法) 制造钛结构的钣金零 件，钛合金对于变形温度很敏感，例如，当变形温度从 920℃ 降到 820℃时，钛合金的变形阻力几乎翻倍，其超塑性的变形 力大约仅有普通轧制的 1/30 ~ 1/10.其中，等温成形与超塑 性成形是不同的，但等温成形在降低材料变形抗力、提高材料 塑性的效果方面不如超塑性成形那样显著。超塑性压力加工成 形主要优点是材料可以实现极大的变形。但许多工艺过程无需 100% ~ 200% 的变形量，通常金属锻比为 5.也就是变形达到 75% 即可。为确保零件高的使用性能不总是要求最优的。而且粗 晶片状显微组织对抗疲劳裂纹扩张具有更好的稳定性。虽然等 温成形技术可以明显地提高材料的不稳定性，但它是一种一步 集成成形技术，很难保证一个好的产品没有任何局部缺陷，例 如，成形局部缺陷等，一旦一个产品在局部区域形成了缺陷，后 期也无法解决缺陷问题， 将会影响整个钛合金产品的质量， 这个问题也成为未来技术发展需要克服的难题之一。
1.2 蠕变成形技术
蠕变成形是指在一定温度下，金属板料在工模具的作用下 变形获得理想形状后， 保持温度和载荷不变， 使工件内部发生应 力松弛， 弹性应变向永久塑性应变转变， 直至残余应力和回弹基 本消除， 最终冷却后获得理想的工件形状。蠕变成形过程中蠕变 驱动力为外加应力， 随着蠕变进行， 弹性应变减少使得内应力随 之减少，外加应力也相应减少。有研究人员指出，热拉伸蠕变工 艺是一种新型的薄壁钛合金复合成形工艺。该工艺是通过电阻 加热等加热方法，将薄壁金属薄板或型材加热到热成形温度后 进行拉伸和弯曲。当最终形态形成时，温度保持不变，材料沿拉 伸方向基于模具表面蠕变。这导致成形工件内应力降低和应力 在线松弛。减小了残余应力，从而减小了零件的回弹，提高了成 形精度。介绍了新工艺技术的研究现状、工艺原理、关键设备、 加工工艺及优缺点。最后，展望了热拉 - 蠕变复合成形技术的应 用前景。有研究人员指出， 钛合金由于其优良的机械性能和腐蚀 性能以及相对较轻的重量而经常用于航空航天应用，如承载机 体。然而，众所周知，钛合金在室温下很难形成。因此，在钛合 金型材成形中采用热拉弯蠕变成形工艺来提高成形性，降低回 弹。热拉伸弯曲和蠕变成形的原理是在热拉伸弯曲阶段后， 通过 保持工件与模具在选定的驻留时间进行应力松弛阶段。这使得 低残余应力和最小回弹的好处，包括廉价的模具和良好的重复 性。采用Arrhenius模型对蠕变行为进行表征， 在ABAQUS 中建 立了热拉弯蠕变成形过程的有限元模型。有限元模拟结果表明， 残余应力在应力松弛阶段大大降低，低残余应力导致回弹较小。 预测的回弹值与实验结果吻合较好。有研究人员指出， 蠕变或应 力松弛是降低钛合金板热成形回弹的主要机制。到目前为止， 这 两种现象之间的区别和联系还没有被清楚地探讨。其对Ti6Al4V 合金进行了高温短期蠕变和应力松弛试验。利用透射电镜观察 合金的显微组织。分别研究了温度、应力和时间对蠕变和应力 松弛行为的影响。根据蠕变应变 - 时间和应变速率 - 时间的关系， 比较了这两种现象的相关性和差异性。结果表明， 低温低应力下 的原子扩散控制蠕变行为，高温高应力下的位错滑移和爬升控 制蠕变行为。应力松弛行为主要受位错爬升的控制。根据蠕变数据预测的应力松弛行为与试验结果吻合较好。
1.3 回弹控制及预优化精密塑性成型技术
1.3.1 通过各种标准控制回弹
由于钛合金材料具有变形阻力大、弹性模量低、各向异性 强，控制回弹在钛塑性加工中具有重要意义。它极大地影响了产 品的尺寸和形状误差。到目前为止，我们已经做了很多努力来 尽量减少回弹造成的成形误差。有限元仿真结合优化技术是最 常用的方法。有人开发了一种减少TC1航空器涂层冷拉伸形成 时回弹的优化方法。在优化模型中， 建立了一个由有限元计算的 应力差的数学公式作为反弹力度的一个指标，而不是隐式反弹 分析，并采用多岛遗传算法(针对遗传算法，将目标函数是个多 极值的函数，通过假设的方式找到局部最优点，) 寻找最优加载 参数。工艺参数的优化设计有效地减少了回弹量， 提高了成形精 度。研究结果为板料成形过程的回弹控制与工艺，提供了指导。 有人提出了基于自主开发的TA18合金(Ti-3AI-2.5V) 数控(NC) 旋转管弯曲的有限元模型，通过多元逐步分析，建立了弯曲角、 材料性能和回弹角之间的定量关系。有学者利用Hill各向异性准 则预测了商业纯钛(CP-Ti) 零件弯曲成形过程中的弹力。有学者 认为，TC4 弯曲杆的回弹取决于保持在弹性状态的中间材料区 的大小，这在内部取决于加工和几何参数，如弯曲半径、弯曲角 度和弯曲元件的直径 / 厚度。有学者采用统计方法求出液压成 形过程中回弹角与成形参数的关系，为工装设计师和技术人员 缩短制造前置时间提供了一种有效的方法。有学者研究了温度 对 CP-Ti 片回弹补偿的影响。结果表明，随着温度的降低，回弹 力显著降低。
1.3.2 预制件和模具优化方法
预制件和模具优化可以大大减少体成形的误差，这对近板 料成形具有重要意义。逆向模拟技术广泛应用干预成型设计中。 有学者提出了一种优化TA15 合金初始坯料的逐步逆向优化方 法。研究发现，用于确定优化对象的修正面的选择是优化的基 础，等距抵消决定了优化的精度和可靠性。
1.4 缺陷控制技术
钛合金冷成形过程中易发生断裂，如TA18 钛合金旋转弯 曲、TCI 钛合金纯钛拉伸成形单点增量成形等。在 CP-Ti 薄片的 单点增量成形(SPIF) 过程中，有研究结果表明，钛合金板料塑 性成型工件的厚度随深度的增加而减小，避免了成形过程中的 断裂，过度的拉伸后力会导致TCI 钛合金冷拉伸形成的断裂风 险。优化拉伸前和拉伸后的力可以避免断裂。Ti-15-3 的应变速 率循环超塑性试验的速度波形表明，在变形不均匀的地方可能 会发生断裂， 第一次采用压下率 30% ~ 40% 可以避免断裂。
1.5 热旋压成形技术
旋压成形指的是通过一个，或是多个旋轮，作用在初始平板的旋转进给运动， 逐渐使板料和旋转芯模相互贴合， 最终得到壁 厚相对减薄的空心回转体零件的成形过程。因为旋压过程的旋 轮局部加载，相比于传统的板料冲压成形，载荷明显降低。旋压 是一种柔性板料成形方法，适合于生产复杂回转体零件的终成 形件，或是近终成形件，如锥形件、简形件等等。对于室温下难 以成形的轻合金，如钛合金、镁合金等，旋压需要在一定的温度 条件下进行，称为热旋压。因为同一温度之下，不同材料或是同 一材料在不同的温度之下， 其在力学性能方面， 也有着较为显著 的差异。所以， 在热旋压当中， 温度的控制非常关键。
2 钛合金塑性成形关键技术的未来发展趋势探究
2.1 在晶体结构演化中的机制和规律
钛合金的晶体结构是由于连续位错滑移或孪晶在变形时的 颗粒取向旋转而形成的。变形结构的演变对应变、温度和变形模 式具有很强的敏感性，这影响了钛合金随后的微观结构演变和 相应的力学性能，如强度、疲劳寿命、耐腐蚀性能。变形结构通 常是在冷成形过程中形成的， 它受合金成分、初始结构和加工参 数的影响。有学者研究了 IMI834 合金尖锐局部结构的发展，发 现这种结构可以大大降低疲劳寿命。有学者进行了一系列的压 缩试验，研究了 CP-Ti 在高温下的变形结构演化。他们发现，变 形样品中的细粒和粗粒的基面都倾向于从初始方向旋转到 45° 的倾角。有学者研究了单重时效、低温、高温双重时效、时效加 热速度等工艺对经热变形后的Ti-10V-2Fe-3Al 织构演化的影响。 他们观察到，初始相位结构在小应变时不断演化，而 a 结构可以 在大变形时得到。此外，结构可以通过再结晶形成，这被称为再 结晶结构。有学者发现 CP-Ti在再结晶过程中织构演变的变化是 由二次重结晶引起的。有学者研究了Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金在热 轧过程中再结晶结构的演变。当厚度减小到 90% 以上时，他们 观察到了梯度结构。他们认为， 由表面和中心之间严重的不均匀 变形引起的动态再结晶导致了这种类型的结构。
2.2 在形态进化中的机制和规律
微观结构形貌对温度、应变、应变率、应变路径和热处理路 线等加工参数都很敏感，它们的结合是影响钛合金力学性能的 典型形态。体积分数、粒径、长径比直接决定了钛合金的微观结 构形态，转化相具有良好的综合性能，广泛应用于航空航天、化 学加工、海洋和海上、运输和医药等领域。而且，微观结构的持 续时间和强度均优于等轴状微观结构， 但其疲劳性能较差。由于 相的晶粒尺寸大，界面的积分，断裂韧性、持续时间和爬行强度 等，导致了弯曲方向的延伸，分散了断裂周围的应力场。然而， 由于缺乏对 a 相的约束，晶粒很容易发生粗化，这可能导致拉伸 性能的劣势。最近，有学者等获得了一种新的三模态微观结构， 包括约 15%、50% ~ 60% 层状和转化矩阵，显示高低循环疲劳性能、高蠕变疲劳交互寿命、高断裂韧性和高服务温度的近似锻 造过程。有学者研究了近局部载荷形成下应变分布对微观组织 形态的影响。他们发现TA15 钛合金的微观结构形态随变形程度 和加工步骤而变化。具有初级相和层状相的转化粒子是由加工 过程中的小变形产生的。而具有无序层状相的聚合变换矩阵是 由第一步大变形产生的。在第二步中， 分别通过中等变形和大变 形产生了转化后的基质和完全球化的微观结构形态。
2.3 建模方法的发展
内部状态变量方法用少量的内部状态变量来描述其潜在的 现象，已被广泛应用于模拟钛合金热加工过程中的微观结构演 化。有学者提出了一个基于物理的本构模型来预测两相钛合金 的流动应力和粒径变化。在模型中， 假设总应力由热激活应力和 非热应力组成，其中热激活应力由 Kock-Mecking模型描述。与 硬化效应相关的非热应力由双参数内部状态变量表示，包括位 错密度率和晶粒尺寸率。用混合规则和叠加理论表征了 a 相和塔 相对流动应力的作用。该模型的预测与钛合金的实验结果吻合 较好。有学者也对两相TA6 合金提出了类似的模型。有学者提 出了一个基于位错密度和再结晶分数两个内部状态变量的演化 来预测TA15合金热加工过程中等晶相晶粒尺寸变化的模型。
晶体塑性模型可以反映微观滑动和孪生、微观尺度的不均 匀变形、微观结构的抗变变形、取向演化等物理机制，从而得到 了深入的发展和广泛的应用。在这一理论中， 分别提出和发展了 速率无关的晶体塑性(RICP) 和速率相关的晶体塑性(RDCP)。 RICP 数值化的主要问题是单晶塑性变形过程中主动滑移系统的 非唯一性和与时间无关的剪切率的确定。有学者引入了一种半 隐式积分方案， 在确定其剪切速率之前识别主动滑移系统， 并量 化滑移系统成为活跃的顺序。在RDCP模型中，通过假设所有的 滑移系统都是活动的，从而克服了由RICP模型引起的问题。然 而，由于高阶非线性流动规律，RDCP模型的积分出现了严重的 数值不稳定性。求解RDCP模型的隐式算法在解上具有良好的 稳定性。然而，这些方案涉及在局部层面迭代以更新应力，并在 全局上执行平衡需要大量的计算工作。因此它几乎不能应用于 模拟数千个元素的三维形成过程。因此， 提出了一种显式算法来 提高计算效率。他们的工作被证明是有效的，但需要进一步改进， 以应用于大变形和复杂的载荷条件。当将这一理论应用于钛合金时， 还需要解决另一个问题。由于钛合金的六方最密堆积结 构，滑动是 α 相和 β 相的主要变形模式，而孪晶则是一个相的可 选模式。有几种方法可以处理变形孪生产生的大量新方向问题， 如主要的双重定向(PTR) 方法体积分数转移(VFT) 方法和全网 格方法。有学者等人对建模方法、问题处理方法及其它的应用进 行了综述。
CA 算法已被广泛应用于微观结构演化现象的建模，有学者 将元胞自动机(Cellular automata， CA) 模型与DRX打印模型相 结合， 模拟了TC4合金在正场和场中的微观结构演化。他们引入 了由 K-M模型计算出的位错密度的变化作为整数状态，以将介 观结构特征与实际加工条件联系起来。在CA模型，重要的现象， 如成核速率、生长动力学， 和处理参数的影响， 以及初始晶粒径， 已经考虑，使定量和地形模拟的生长动力学和拓扑每个r粒在微 观结构演化。流动应力曲线形状、r- 晶粒生长行为和最终微观结 构形态的预测结果与实验结果非常相似。有学者通过 CA 方法模 拟了纯度钛在冷却过程中的静态再结晶。他们发现， 诸如不均匀 变形、非均匀成核等因素会导致再结晶动力学与实验观察的偏 差。为了在微观尺度中引入各晶粒的非均匀变形梯度， 有学者将 CA模型与晶体塑性有限元法(CPFEM) 耦合，模拟了微观结构 的演化。
3 结论
钛合金具有密度低、强度高、抗腐蚀性能好、耐热性高、工 艺性能好等优点， 但其在高温情况下， 与其它材料的化学反应性 差，非常容易吸收氢氧等杂质。这一性质迫使钛合金与一般传统 的精炼、熔融和铸造技术不同，甚至经常造成模具的损坏。而如 果应用先进的钛合金塑性成形技术，则能够有效降低材料的成 形力， 减少模具与材料之间的摩擦， 从而提高零件的表面质量和 尺寸精度，提高材料的成形极限，改善材料的成形性能等优点。 随着钛合金塑性成形工艺的进一步研究，通过解决钛合金在塑 性成形中的难题， 改善钛合金的工艺性能， 使钛合金塑性成形技 术更加成熟， 钛合金将会有更广阔的开发和应用空间。
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