引言

隨著全球制造業(yè)向高效、節(jié)能、低碳方向發(fā)展，材料成形技術(shù)正面臨降低能耗、提高加工精度等多重挑戰(zhàn)。尤其在航空航天等領(lǐng)域，高性能輕合金材料的需求日益增長，如鈦合金因其優(yōu)異的比強度、耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、飛機結(jié)構(gòu)件和高性能承力部件 [1-6]。然而，鈦合金在成形過程中存在室溫塑性差、變形抗力高等問題，嚴重限制了其工程應(yīng)用 [7-13]。

脈沖電流輔助熱處理及成形技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種電 - 熱 - 力多能場耦合的先進技術(shù) [14-20]。與傳統(tǒng)加熱方式不同，脈沖電流可通過焦耳熱效應(yīng)快速加熱材料，同時其電致遷移和電致塑性等效應(yīng)能顯著加速原子擴散、降低流動應(yīng)力，從而能有效加速材料的熱處理進程，并改善成形性能 [17,21-27]。相比于傳統(tǒng)的電阻爐加熱成形，脈沖電流輔助成形具有高效、節(jié)能等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于金屬零件的熱成形中，如沖壓、拉拔、軋制和氣脹成形等工藝中。

王少楠 [28] 利用電流輔助拉深裝置成功制備了深度為 15 mm 的盒形 AZ31 鎂合金試樣，指出脈沖電流的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)耦合機制會促進變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶，進而提高鎂合金的塑性變形能力。ZHAO Y X 等 [29] 采用類似的裝置對超薄 (0.2 mm 厚) TC4 鈦合金進行了電流輔助 U 形彎曲成形，結(jié)果表明，成形過程中引入脈沖電流可有效降低 TC4 板材的回彈，把回彈降低的原因歸結(jié)為脈沖電流的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)對位錯運動以及 α→β 相變的促進而引起的材料軟化。XIE H 等 [30] 對 AZ31B 鎂合金進行了脈沖電流輔助 V 型彎曲，使用強制空氣冷卻來保持試樣溫度為 100 ℃以研究脈沖頻率和電流密度對回彈的影響。結(jié)果表明，回彈隨脈沖頻率和電流密度的增加而減少，這表明脈沖電流存在非熱效應(yīng)從而降低回彈。通過微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)脈沖電流降低回彈的原因可能是脈沖電流誘導(dǎo)晶粒尺寸的減小及孿晶數(shù)量的減少，因為這些組織變化有利于殘余應(yīng)力的釋放。脈沖電流在不同的材料中，如 316L 不銹鋼 [31] 和 6063 鋁合金 [32]，都能有效降低彎曲成形力及回彈。

通過上述文獻可知，目前電輔助成形的研究主要集中在通過模具設(shè)計實現(xiàn)局部加熱成形，但是否需要根據(jù)材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能差異調(diào)整模具設(shè)計尚未有明確研究。對此，本文研究了 3 種不同電流路徑及結(jié)構(gòu)的電輔助彎曲模具對TA15鈦合金 V 型彎曲成形的影響，通過對比溫度分布、電流密度、成形極限和精度等因素，確定適合TA15鈦合金成形的電輔助彎曲模具。

1 實驗材料與成形工藝

1.1 實驗材料

本文所用的TA15鈦合金為寶鈦集團有限公司提供的 2 mm 厚熱軋退火板，彎曲試樣為尺寸為 35 mm×10 mm×2 mm 的板條狀試樣。用金相法測得所用材料的 β 相轉(zhuǎn)變溫度為 980 ℃。原始板材的微觀組織如圖 1 所示，由圖 1a（α 相反極圖 IPF）和圖 1b（β 相 IPF）可知，原始材料的微觀組織為典型的等軸結(jié)構(gòu)，由體積分數(shù)為 95.1% 的等軸 α 相以及分布在晶界的體積分數(shù)fβ為 4.9% 的 β 相組成。α 相和 β 相的平均尺寸d分別約為 3.0 μm 和 0.5 μm（圖 1d 和圖 1e）。圖 1c 為原始材料的局部取向差圖（Kernel Average Misorientation，KAM），KAM 被定義為 0°~5° 的平均局部取向差，可以用來直觀地反映幾何必須位錯（Geometrically Necessary Dislocations，GNDs）的密度。由圖 1c 可知，原始試樣 KAM 圖主要由 KAM 值較低的藍色晶粒組成，其 α 相 KAM 平均值θ僅有 0.4°（圖 1f），這表明試樣內(nèi)的 GNDs 較低，原始板材退火相對完全。

彎曲前施加 50 N 的預(yù)緊力使試樣與模具接觸良好，防止出現(xiàn)打火現(xiàn)象，彎曲實驗的速度為50mm.min-1。TA15 鈦合金的電流輔助彎曲的溫度選擇為 700 ℃。當溫度達到后保溫 30 s 再開始進行彎曲成形實驗。具體的實驗參數(shù)見表 1。

 

表 1 電流輔助TA15鈦合金 V 型彎曲實驗參數(shù)

Tab.1 Experimental parameters of current-assisted V-bending ofTA15titanium alloy

參數(shù)（Parameters）	溫度（Temperature）/℃	保溫時間（Holding time）/s	速度（Velocity）/（mm・min⁻¹）	最大載荷（The maximum load）/N	脈沖頻率（Pulse frequency）/Hz	占空比（Duty cycle）/%
數(shù)值（Value）	700	30	50	3000	100	20

1.2 電流輔助彎曲模具結(jié)構(gòu)

本實驗所用的TA15鈦合金的電阻較大，導(dǎo)熱較差。為了找到合適于TA15鈦合金的電輔助彎曲成形裝置，本實驗探究了 3 種不同結(jié)構(gòu)及電流路徑的模具結(jié)構(gòu)。模具的實物圖及原理圖如圖 2 所示，為方便區(qū)分，將圖 2a~ 圖 2c 所示的 3 種彎曲模具分別定義為 A、B 和 C 模具。

A 和 B 模具結(jié)構(gòu)主要包含絕緣裝置、金屬凸模、金屬凹模以及電極。在電流路徑方面，A 模具電源的正負極分別裝于兩個凹模上，電流從試樣的一端流入，從試樣的另一端流出，試樣處于兩個凹模間的部位會被加熱，如圖 2a 所示；B 模具電流路徑是沿金屬凸模流入到試樣的中部，然后從試樣兩端經(jīng)金屬凹模流出，如圖 2b 所示。C 模具是本文提出的一種新型電流輔助彎曲模具，其電流路徑與 B 模具相同，但在凸模的結(jié)構(gòu)上采用了 “金屬主體 + 石墨圓角” 的復(fù)合設(shè)計方式，同時金屬主體的側(cè)壁涂覆有絕緣用的高溫漆（圖 2c）。A、B 和 C 這 3 種模具所用凸模的彎曲角度均為 31°，凸模圓角直徑均為 Φ4 mm。彎曲實驗過程中，試樣的溫度由紅外測溫儀測量并記錄。

2、TA15鈦合金電流輔助彎曲

2.1 彎曲過程中的加載曲線及溫度變化

TA15 鈦合金經(jīng)不同彎曲模具進行 V 型彎曲時的載荷 - 位移曲線如圖 3 所示，可以看出與室溫彎曲相比，在脈沖電流及高溫的作用下，電流輔助試樣的彎曲載荷明顯下降，所需的彎曲載荷只有 2000 N。不同彎曲模具的彎曲載荷 - 位移曲線相似，均由彎曲過程中載荷平穩(wěn)變化以及零件與模具貼合后載荷陡增兩部分組成。值得注意的是，室溫彎曲及 A 模具彎曲的載荷 - 位移曲線均在載荷平穩(wěn)變化區(qū)出現(xiàn)了明顯的陡降，這是試樣出現(xiàn)裂紋以及發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，相關(guān)證明將在后續(xù)的彎曲實物圖中給出。

圖 4 為TA15鈦合金分別經(jīng) 3 種模具彎曲時的熱點（最高溫度）隨時間變化曲線，相應(yīng)的電流密度也統(tǒng)計于圖內(nèi)。由圖可知，在不同模具結(jié)構(gòu)及電流路徑下，脈沖電流都可在 15 s 左右將TA15鈦合金試樣加熱至 700 ℃，但所需的電流密度有所不同：A 模具所需的電流密度最大，為\(30\ \text{A·mm}^{-2}\)；C 模具由于在凸模中引入石墨，大大降低了電流密度，僅需\(18.8\ \text{A·mm}^{-2}\)的電流密度即可將試樣加熱至 700 ℃。在隨后的 30 s 溫度穩(wěn)定期內(nèi)，3 種模具的試樣溫度都穩(wěn)定在 700 ℃。彎曲開始后，試樣的溫度逐漸降低。造成該現(xiàn)象的主要原因是試樣與模具的接觸面積會隨彎曲進程逐漸增大，這使得試樣的熱傳導(dǎo)散熱增強，從而導(dǎo)致試樣溫度下降。另一方面，需要注意的是，彎曲結(jié)束后試樣與模具緊密接觸，電流會直接通過彎曲試樣的側(cè)壁而繞過彎曲變形處形成回路，這將導(dǎo)致即使增大電流也無法提高彎曲變形處的溫度。

考慮不同的電流路徑及模具結(jié)構(gòu)可能會導(dǎo)致試樣內(nèi)的溫度分布不同，而溫度分布會直接影響彎曲成形結(jié)果。為此，對 3 種模具下不同彎曲階段試樣內(nèi)的溫度分布進行統(tǒng)計并匯總于圖 5。由圖可知，電流路徑及模具結(jié)構(gòu)對試樣的溫度分布有很大影響。在保溫階段：A 模具試樣中部（凸模圓角底部）的溫度為 650 ℃左右，試樣內(nèi)的 700 ℃高溫區(qū)分布于凸模圓角兩側(cè)，其總長度為 11.6 mm 左右；B 模具試樣的 700 ℃高溫區(qū)位于試樣中部呈兩側(cè)對稱分布，其長度較 A 模具試樣的短，為 9.2 mm；C 模具試樣的 700 ℃高溫區(qū)也位于試樣中部，但其長度最短，僅為 4.4 mm。在彎曲成形階段，3 種模具下試樣的最高溫度都位于試樣中部呈兩側(cè)對稱分布，且隨彎曲程度增加，試樣溫度都逐漸減小，但 B 和 C 模具試樣的溫度要高于 A 模具試樣。彎曲結(jié)束時，A、B 和 C 模具試樣的最高溫度分別為 242 ℃、377 ℃和 363 ℃。TA15 鈦合金板材在 3 種彎曲模具下呈現(xiàn)出的溫度分布差異必然會對彎曲成形結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，接下來將對比 3 種彎曲模具成形件的差異。

2.2 成形極限及精度

圖 6 為TA15鈦合金分別經(jīng)室溫彎曲以及 3 種不同模具彎曲后的實物圖。從圖 6a 可以看出，由于TA15鈦合金的室溫塑性較差，在室溫彎曲至 146° 時，試樣的彎角外側(cè)已產(chǎn)生了裂紋，繼續(xù)彎曲至 31° 時，試樣斷裂，該現(xiàn)象也驗證了圖 3 中室溫彎曲加載曲線陡降的原因是試樣出現(xiàn)裂紋并發(fā)生斷裂。

對TA15鈦合金進行電流輔助彎曲，如圖 6b 所示，當采用 A 模具彎曲時，試樣雖未斷裂，但在彎角外側(cè)有明顯的裂紋，這與圖 3 中 A 模具彎曲加載曲線存在陡降的現(xiàn)象相對應(yīng)。采用 B 模具彎曲時，如圖 6c 所示，試樣未產(chǎn)生裂紋，其彎曲內(nèi)角半徑為 1.8 mm，與模具尺寸相當，但試樣回彈嚴重，其回彈角可達近 6°，這對零件的尺寸精度影響巨大。采用 C 模具彎曲時，如圖 6d 所示，試樣未產(chǎn)生裂紋，但回彈相較 B 模具彎曲試樣的更大，其回彈角可達近 13°，且試樣彎曲內(nèi)角半徑僅為 0.8 mm，與模具尺寸相差 60%，其尺寸精度更差。

考慮試樣的溫度分布會對彎曲過程產(chǎn)生重要影響，結(jié)合上述彎曲過程中試樣的溫度分布結(jié)果（圖 5），可以推測經(jīng) A 模具彎曲的試樣產(chǎn)生裂紋的原因應(yīng)是試樣主要變形區(qū)（試樣中部）的溫度較低，隨著彎曲的進行，試樣彎角處的溫度會進一步下降，而鈦合金的低溫塑性較差，從而導(dǎo)致試樣產(chǎn)生裂紋。而經(jīng) C 模具彎曲試樣的彎曲內(nèi)角直徑較小、回彈較大的原因是試樣中部的 700 ℃高溫區(qū)長度較短，導(dǎo)致試樣彎曲時應(yīng)變只集中在這個較短的區(qū)域，從而使試樣發(fā)生了對折變形而并非貼合凸模彎角進行變形。此外，經(jīng) 3 種模具彎曲后，試件的回彈角都較大是由于成形過程中試樣溫度逐漸降低所致的。綜上所述，TA15 鈦合金在進行電流輔助彎曲時，高溫成形區(qū)分布的位置以及長度會對成形結(jié)果產(chǎn)生重要影響，通過合理的模具結(jié)構(gòu)及電流路徑設(shè)計保證高溫區(qū)位于試樣變形區(qū)中部且有合適的長度是提高成形極限和精度的關(guān)鍵。通過綜合考慮彎曲試樣的回彈大小及彎角精度，B 模具更適合TA15鈦合金的彎曲成形。

2.3 彎曲成形后的組織形貌

圖 7 為TA15鈦合金經(jīng) B 模具彎曲后試樣不同位置的 EBSD 結(jié)果。由圖 7 中 IPF 可知，彎角外側(cè)由于受拉應(yīng)力，原始等軸晶粒沿拉應(yīng)力方向（水平方向）被拉長；彎角內(nèi)側(cè)由于受壓應(yīng)力，原始等軸晶粒沿垂直于壓應(yīng)力方向（豎直方向）被拉長。彎曲后，在高溫及脈沖電流作用下，試樣彎角部位發(fā)生了明顯的 α→β 相變，其內(nèi)外側(cè)的 β 相含量分別為 9.4% 和 8.9%（圖 7 中相分布圖），高于試樣側(cè)壁未發(fā)生變形區(qū)的 4.8%，這證明了脈沖電流輔助成形可實現(xiàn)對局部變形區(qū)域的組織調(diào)控。

由圖 7 中彎曲試樣不同區(qū)域內(nèi) α 相和 β 相的 KAM 分布圖可知，彎角內(nèi)外側(cè)區(qū)域內(nèi) α 相和 β 相的 KAM 平均值都遠高于側(cè)壁未變形區(qū)域內(nèi)的 KAM 值，這意味著電流輔助彎曲成形時，試樣內(nèi)未發(fā)生完全動態(tài)回復(fù)，使試樣的彎角變形處累積了大量塑性變形后產(chǎn)生的位錯，這意味著彎角處有較高的殘余應(yīng)力，會促使試樣在卸載后發(fā)生回彈。

3、結(jié)論

(1)TA15鈦合金室溫塑性較差，室溫下板材彎曲至 146° 時，試樣就會產(chǎn)生裂紋。而采用電流輔助彎曲工藝，可實現(xiàn)試樣成形區(qū)的局部加熱（模具置于室溫環(huán)境），在高溫及脈沖電流作用下，可將試樣彎曲成形至 31°，顯著提高試樣的成形極限。

(2) 電流輔助彎曲時，在彎曲前的保溫階段，保證試樣內(nèi)高溫區(qū)有合適的長度以及使其均勻分布于試樣成形區(qū)是提高成形極限的關(guān)鍵。而模具結(jié)構(gòu)、電流路徑以及試樣的本征性能（熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率）會顯著影響試樣內(nèi)高溫區(qū)分布的位置及長度。對于鈦合金這種電阻大但導(dǎo)熱差的金屬而言，選用電流從凸模引入的 B 彎曲模具可有較好的高溫區(qū)分布及成形結(jié)果。

(3) 本文所設(shè)計的電流輔助模具是在電輔助彎曲模具上增加了改進電極，克服了電輔助彎曲時的電流繞流問題，可將試樣的彎曲變形處加熱至熱處理溫度，有效消除了試樣回彈，實現(xiàn)了高精度成形。

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（注，原文標題：TA15鈦合金電流輔助V型彎曲成形工藝研究）

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