航空用TA15钛合金薄壁型材热压下陷成形工艺研究.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 21 日 作者简介:高朋(1992),男,汉族,辽宁朝阳人,研究生硕士,沈阳中钛装备制造有限公司,中级工程师,钛合金材料。-141-航空用 TA15 钛合金薄壁型材热压下陷成形工艺研究 高 朋 李 萍 董 行 沈阳中钛装备制造有限公司,辽宁 沈阳 110000 摘要:摘要:钛合金薄壁型材是用于战斗机上面的一种结构件,可大幅度降低战斗机的重量,被众多飞机设计者优先选用,但由于钛合金材料特点、产品自身结构特点和使用要求等原因,国内尚未有成熟的技术使钛合金薄壁型材实现国产化,关于钛合金薄壁型材热压下陷成形的工艺研究更是鲜有,本研究利用金
2、相显微镜、万能试验拉伸机、影像测量仪和渗透等检测手段,对在不同加热温度和压强实验条件下完成热压下陷试验的 TA15 钛合金薄壁型材进行了显微组织、力学性能、下陷尺寸和表面质量等项目的检测,通过对比不同的数据可知,加热温度在 730、保温时间为1.5h 和压强为 12MPa 时,TA15 钛合金薄壁型材下陷尺寸和表面质量满足航空使用要求。关键词:关键词:战斗机;钛合金薄壁型材;热压下陷 中图分类号:中图分类号:TG115.6 0 引言 钛及钛合金因其具有质轻、比强度高、抗疲劳性好、抗氧化和生物相容性好等多个优良特性,经常被加工成各种结构件和紧固件等,被广泛应用于医疗、航海和航空航天领域,钛合金薄
3、壁型材是一种近终形半成品,主要应用在战斗机的机身部位的桁条和隔框,钛合金薄壁型材仅需要少量加工或者变形即可使用,因其具有高的材料利用率、高的生产效率和低的生产成本等多个优势,被众多飞机设计人员优先选用,随着航空领域的高速发展,大型运输机和军用飞机等对钛合金薄壁型材的需求日益增加1-12。钛合金薄壁型材在被加工成各种飞机零件时,往往在飞机架构中纵横交错,经常发生交叉搭接现象,需要对型材进行下陷成形处理,但钛合金属于密排六方结构、具有很强的各向异性、变形不均匀,导致了型材下陷成形困难,关于此方面的研究很少,本文初步探究当加热温度、保温时间和压强为何值时,TA15钛合金薄壁型材下陷深度为 2.0 m
4、m(公差要求:00.2)以及它的过渡区长度为多少,为日后 TA15 钛合金薄壁轧制型材的热压下陷工艺提供指导。1 实验材料与方法 1.1 实验材料 本研究中选用的钛合金薄壁型材是沈阳和世泰通用钛业有限公司生产的 TA15 钛合金薄壁轧制型材,其主要的生产工艺为:首先通过三次真空自耗电弧炉熔炼 1 吨铸锭,然后经过+两相区锻造和轧制,最后退火矫直和表面处理等工序形成成品型材,规格为311.6311.64000 mm,截面尺寸如图 1 所示,其化学成分如表 1 所示,图 2 为 TA15 钛合金薄壁型材横向和纵向的金相显微组织图,由初生 相和转变 组织构成,初生 相含量分别为 51.37%和 41
5、.52%。图 1 TA15 钛合金薄壁型材截面图 图 2 TA15 钛合金薄壁型材显微组织图.(a)横向显微组织;(b)纵向显微组织.表 1 TA15 钛合金薄壁型材化学成分 主要元素 杂质元素,不大于 wt%Ti Al Zr Mo V Fe Si C N H O 基 6.47 2.07 1.76 2.01 0.03 0.02 0.019 0.0047 0.011 0.14 中国科技期刊数据库 工业 A 1.2 实验方法 随机选取一支 TA15 钛合金薄壁型材,采用线切割的方式在型材上随机切取长度为250mm热压下陷试样,然后将其放置在下陷工装下模具下陷工作区域内,再将下陷工装上模具放下,保证
6、上下模具贴合紧凑,无偏斜等现象,在将内有试样的整个下陷工装放在TSX-16-12 马弗炉中加热,并按照表 2 中的实验方案加热和保温,加热保温结束后,将下陷工装从马弗炉中取出,放置在 YQ32-100t 液压机的工作台上,对中液压机的压头,液压机以23.5mm/s对下陷工装进行挤压,直至达到设定的压强后,液压机停止下降,使用测温枪测量下陷工装表面温度,待其表面温度降至 100以下,撤去载荷,取出下陷工装内的试样,热压下陷实验完成。表 2 实验方案 试样编号/#加热温度/加热时间/h 施加压强/MPa 1 650 1.5 12 2 700 1.5 12 3 730 1.5 12 4 730 1.
7、5 7 使用目数为 100 的白刚玉砂子对完成热压下陷实验的试样进行喷砂处理,去除表面的氧化皮,再在酸洗液中进行 23 分钟左右的酸洗处理,去除表面污染层,酸洗液配比为(体积配比):氢氟酸:硝酸:纯净水=1:5:30,最后采用渗透检测手段(着色检验)测试样下陷位置的表面质量。按照图 3 所示,采用线切割的方式切取试样上面下陷区域,并按照“GB/T 5168-2020,钛及钛合金高低倍组织检测方法”制备金相组织检测试样,使用 ZEISS AXIO Observer.A1m 金相显微镜检测试样横向和纵向显微组织,使用 MIAPS-M 软件分析初生 相的含量。图 3 TA15 钛合金薄壁型材热压下陷
8、区域 按照图 4 所示的拉伸试样图,采用线切割的方式在下陷试样上未有下陷的位置切取拉伸式样,使用WDW-50/50KN 万能试验拉伸机检测试样力学性能。图 4 拉伸试样示意图 将切割切取下来的下陷位置试样,使用型号为VMA4030 的影像测量仪按照图 5 所示的位置和项目测量尺寸。图 5 TA15 钛合金薄壁型材下陷区域尺寸测量示意图 2 工装设计 根据本文的研究目的,在下陷工装上面设计了不同过渡区长度,但下陷深度均为 2.0mm,查阅基于有限元分析与试验的型材下陷成形回弹13和型材下陷成形回弹补偿算法14等文献可知,钛合金型材在下压过程中存在一定的回弹,因此在设计工装时,需要增加下陷补偿值,
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