TC2鈦合金薄板杯形件拉深失效方式及原因分析

王興 王瑞琴 鄧家彬 吳曉東 謝英杰

引言：本文在室溫下對TC2鈦合金板料做杯形件拉深成形工藝實驗。結果表明：TC2鈦合金杯形件拉深的失效方式主要有凸模圓角部位拉裂、筒壁拉裂和凸緣起皺現(xiàn)象。對幾種失效方式的原因分析表明：凸模圓角區(qū)拉裂主要是因為在凸模圓角區(qū)附近板厚減薄最嚴重造成的；杯壁拉裂更多受外在的工藝因素影響，包括壓邊力的設定等；凸緣起皺現(xiàn)象主要由于面內各向異性性質使得拉深變形各區(qū)域的應力應變分布不均勻，導致了杯形件在拉深成形中的起皺現(xiàn)象。

TC2合金是一種中等強度、高塑性近α型鈦合金，含有4%α穩(wěn)定元素Al和1.5%β穩(wěn)定元素Mn。合金在室溫平衡狀態(tài)下由α相和少量β相組成，β相的含量一般為2%-4%。該合金板材在熱態(tài)和室溫下有較好的成形性，具有較高的熱穩(wěn)定性，適合用來制造飛機機翼、安定面、襟翼、機翼內部受力構件及其他焊接結構件，在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛應用[1-3]，尤其是大規(guī)格TC2合金板可以減少焊縫數(shù)量， 在航空工業(yè)中具有更迫切的需要。

一、實驗

合金利用真空自耗電弧爐熔煉，采用一次真空、二次充氬熔煉工藝，制備出Φ520mm的成品鑄錠。其相變點為965±10℃。鑄錠在西部鈦業(yè)大噸位快鍛機上制備成厚度為220mm的板坯，利用西部鈦業(yè)有限責任公司2800mm熱軋機軋制成5mm厚TC2板材。將制備好的5mm厚TC2坯料在西部鈦業(yè)有限責任公司的1780mm六輥可逆冷軋機組上進行冷軋變形，變形率分別為5%～45%，然后對冷軋變形后的試樣進行了加熱溫度為780℃，保溫3h的真空退火熱處理。再從熱處理后的板材上取直徑為100mm的試樣，在室溫下利用自制模具進行杯形件拉深成形工藝試驗。

二、實驗結果與討論

2.1 TC2鈦合金杯形件拉深的主要失效方式

TC2鈦合金杯形件拉深失效方式主要有凸模圓角區(qū)拉裂、筒壁拉裂和凸緣起皺現(xiàn)象，如圖2所示。無論拉裂還是起皺，都是決定拉深工藝成敗的關鍵，是杯形件拉深常見的失效方式[4-6]。

a b c

圖2 幾種TC2鈦合金杯形件拉深成形主要失效方式

（a） 凸模圓角區(qū)拉裂；（b）筒壁拉裂；（c）凸緣起皺現(xiàn)象

2.2主要失效方式原因分析

這幾種失效方式都發(fā)生在拉深的主要變形階段，其中凸模拉裂是由于杯形件簡壁危險斷面處最大拉應力超過了材料的承載能力引起的。對1mm厚TC2薄板拉深后杯形件壁厚進行測量，其分布規(guī)律曲線如圖3所示，板料拉深成形后的杯形件壁厚沿軸向分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，拉深件杯口部位（8號位置）是厚度增加最大的位置，往下逐漸減小，過了筒壁接近6號部位后板厚由增加轉為減小，在凸模圓角區(qū)附近（即4號位置，筒壁直段與底部圓角相切的部位）板厚減薄最嚴重，而在杯形件底部區(qū)域（1、2號位置）壁厚基本保持不變。由于杯形件杯壁的4號位置與凸模的有效摩擦最少，甚至完全與凸模沒有接觸，因此該位置板材壁厚減薄最嚴重。一旦拉深成形中最大拉應力超過了杯壁部位抗拉能力，就會在此處發(fā)生破裂失效現(xiàn)象。

圖3 拉深成形后壁厚分布規(guī)律曲線

而導致杯壁拉裂的主要是很多的外在因素，主要包括：（1）壓邊力過大，也會使杯壁的拉應力過大導致拉裂；（2）凹模圓角設計半徑過小，導致板料通過凹模圓角時附加拉應力過大：（3）毛料的變形過大，超過其承受極限。為使杯形件拉深成形可以順利進行，杯壁材料不發(fā)生破裂，則杯壁所受的最大拉應力應不得超過材料的承載極限。

起皺是凸緣區(qū)材料在受到切向壓應力失穩(wěn)產(chǎn)生的。在變形過程中，沖壓毛料的外部邊緣部分是壓縮的變形區(qū)，通常稱作法蘭區(qū)。如果法蘭區(qū)產(chǎn)生的壓縮變形不均勻，在法蘭上就會產(chǎn)生切向的壓應力，并可能引起法蘭部分的起皺。

TC2鈦合金均具有近α型顯微組織，屬于密排六方晶格，有很大的軋制織構傾向，所以軋制后的板料各向異性非常突出，而面內各向異性性質使得拉深變形各區(qū)域的應力應變分布不均勻，從而在沿圓周不同方向上表現(xiàn)出來的變形程度不同，直接導致了杯形件在拉深成形中形成壁厚不均勻分布和起皺現(xiàn)象。

三、結論

1）TC2鈦合金板材杯形件拉深失效方式主要有凸模圓角區(qū)拉裂、筒壁拉裂和凸緣起皺現(xiàn)象。

2）凸模圓角區(qū)拉裂主要是因為在凸模圓角區(qū)附近（嚴格來說是筒壁直段與底部圓角相切的部位）板厚減薄最嚴重造成的。

3） 杯壁拉裂更多受外在的工藝因素影響，包括壓邊力的設定等。

4）凸緣起皺現(xiàn)象主要由于面內各向異性性質使得拉深變形各區(qū)域的應力應變分布不均勻，從而在沿圓周不同方向上表現(xiàn)出來的變形程度不同，導致了杯形件在拉深成形中的起皺現(xiàn)象。

參考文獻

[1]理有親，林兆榮，陳春奎. 鈦板沖壓成形技術[M]，北京：國防工業(yè)出版社，1986.8-9.

[2]趙永慶，奚正平，曲恒磊，等.我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀[J].航空材料學報，2003，10（23）：215.

（作者單位：西部鈦業(yè)有限責任公司）