鈦與鈦合金沖壓成形研究進展及應用現狀

文／蔡建華，毛小南，李磊·西北有色金屬研究院鈦合金研究所

鈦是在地殼中分布最廣的元素之一，約占地殼總重量的0.6%。在金屬中僅次于鋁、鐵、鎂，居第四位。鈦與鈦合金具有以下優良特性：比強度高，與一般的高強度結構鋼和高溫合金相當，但是其密度只有鋼的57%左右；耐腐蝕性強，鈦是一種化學活性很高的金屬，在常溫下金屬表面容易形成一層穩定性高、附著力強的氧化物或氮化物組成的鈍化膜；低溫性能好，在低溫和超低溫的條件下，能夠保持高強度的同時，仍然具有足夠的低溫韌性和延展性；生物相容性好，彈性模量低，無磁性，無毒性等。鈦與鈦合金具有以上諸多特點，沖壓成形件廣泛應用于航空航天、海洋和生物醫療等領域。本文綜述了鈦與鈦合金沖壓成形的研究進展和應用現狀，以期為鈦與鈦合金的沖壓成形工藝研究和應用推廣提供參考。

不同類型鈦合金的沖壓成形能力

按照亞穩狀態下的相組織和β穩定元素含量對鈦合金進行分類，鈦合金分為α型、α+β型和β型三大類。

α型鈦合金通常室溫下只含有α相，α相屬于密排六方（HCP）結構，這一結構決定了其在室溫變形的特點，與體心立方結構不同，密排六方結構滑移系較少，而且隨著c軸與a軸比值而變化。純鈦的c/a為1.578，主滑移系為，為柱面滑移，此外還有，滑移系，在這些滑移系中完全獨立的滑移系只有4個，達不到米塞斯條件所要求的塑性變形必須的5個滑移系。但是，由于塑性變形過程中，孿晶{1122}、{1121}和的作用，導致α型鈦合金的變形能力較強，因此，α型鈦合金適合室溫沖壓成形，這類鈦合金包括TA1，TA2，TA3等。

α+β型鈦合金，退火組織為α+β相（初生α相+殘余β相），β相含量一般為5%～40%。α+β型鈦合金中同時加入了α穩定元素和β穩定元素，使α相和β相都得到強化。雖然β相屬于體心立方結構，室溫變形過程中可以開動的滑移系較多，但是由于初生α相是在兩相區較大變形后經過適當的熱處理獲得的，它與殘余β相之間的Burgers位向關系已經被破壞，此時的初生α相和殘余β相屬于非共格關系，初生α相和殘余β相中的滑移系取向隨機分配；此外，由于初生α相和殘余β相的界面（α/β）兩側晶格參數差異較大，界面能較高，變形過程中協調性較差，因此α+β型鈦合金的室溫強度較高。主要適用于航空航天結構件等，不適合在室溫下沖壓成形。常用的α+β型鈦合金包括TC4、TC6、TC11和TC21等。

β型鈦合金通常包含亞穩定β型鈦合金和穩定β型鈦合金。由于穩定β型鈦合金比重較大、熔煉比較困難，變形抗力大等，目前該類鈦合金應用較少。亞穩定β型鈦合金，含有高于臨界濃度的β穩定元素，采用空冷或水淬，幾乎可以全部得到亞穩定β相。亞穩定β相屬于體心立方結構（BCC），亞穩定β相滑移方向為<111>，可能出現的滑移面有{110}、{112}、{123}，如果三組滑移面都能啟動，則潛在的滑移系數目有48個，其中{110}<111>滑移系12個；{112}<111>滑移系12個，{123}<11l>滑移系24個。因此，亞穩定β型鈦合金在退火或固溶狀態具有非常好的工藝塑性和冷成形性。這類合金主要包括TB2、TB3、TB5和TB8等，它們通常具有優良的冷軋和冷成形性，可在室溫下成形中等復雜的鈑金零件，并可冷鐓鉚釘和螺栓。

綜上所述，α型鈦合金可以通過孿晶協調變形，亞穩定β型鈦合金β相屬于體心立方結構，可開動的滑移系較多，它們是良好的沖壓成形材料。

影響鈦與鈦合金沖壓成形的因素

影響鈦與鈦合金沖壓成形的因素，除了沖壓材料本身微觀晶體結構外，還包括材料的宏觀力學性能、成形模具和沖壓成形工藝參數等。

鈦與鈦合金力學性能的影響

影響鈦與鈦合金沖壓成形的力學性能主要包括材料的屈強比（Rp/Rm）、延伸率（A）和杯突指數（IE）等，具體力學性能如表1所示。

沖壓成形模具的影響

由于鈦與鈦合金的彈性模量小，彎曲能力較差，因此，成形模具凸模和凹模的圓角半徑對鈦與鈦合金材料的沖壓成形有很大影響。通常凸模圓角半徑≥(4～8)t（t為板材厚度）或者更大，才能避免沖壓過程中材料開裂現象。增大凹模圓角半徑有利于材料的沖壓成形，但不能過大，過大會造成沖壓材料較早脫離壓邊圈，導致起皺現象提前發生，但凹模圓角半徑也不能過小，過小會造成拉裂現象。此外，凸、凹模間隙對沖壓力、工具磨損、切口表面質量以及零件精度會產生很大影響，所以必須合理設置凸、凹模間隙，凸、凹模間隙通常按以下公式進行計算：Z=(0.03～0.05)t，其中t為板材厚度（mm），由于鈦與鈦合金的回彈大，為了減小回彈，一般凸、凹模間隙值取下限值。

表1 影響鈦與鈦合金沖壓成形的主要力學性能

沖壓成形工藝參數的影響

壓邊間隙、壓邊力、沖壓速率和沖壓溫度對鈦與鈦合金材料沖壓成形也有很大的影響。大量研究表明，通常鈦與鈦合金材料沖壓成形壓邊間隙為板料厚度的1～1.2倍時，沖壓成形過程中不會發生板材拉裂和起皺現象；壓邊力過小或者過大，都會造成沖壓材料起皺和破裂；沖壓速率不宜過高，沖壓速率過高，會造成位錯在晶界和相界等缺陷處快速塞積和纏結，產生加工硬化現象，此外，也增大了變形的不均勻性，導致塑性變形難以進行，材料發生破裂。因此，沖壓速率通常不宜超過0.25mm/s。與熱沖壓相比，冷沖壓可以降低鈦與鈦合金產品的生產成本。但是，由于大部分鈦與鈦合金室溫變形抗力較大，不適合室溫沖壓，熱沖壓過程中，原子和位錯運動速度加快，沖壓材料塑性明顯提高，開裂傾向減小，同時由于高溫下的熱作用，消除了材料變形時產生的內應力，減小了回彈量，提高了零件的成形精度，幫助熱成形技術在鈦與鈦合金上得到了廣泛的應用。國外航空航天領域中，鈦與鈦合金沖壓成形件絕大多數采用熱沖壓成形技術。

綜上所述，除了鈦與鈦合金材料的微觀晶體結構外，沖壓材料的宏觀力學性能（屈強比、延伸率、彈性模量、加工硬化指數、杯突指數等）對沖壓成形有很大的影響，屈強比Rp/Rm越小，延伸率A和杯突指數IE越大，鈦與鈦合金材料的沖壓成形性能越好；選擇合適的凸模和凹模的圓角半徑、壓邊間隙、壓邊力、沖壓速率和沖壓溫度有助于沖壓工序順利完成。熱沖壓有助于提高沖壓材料的塑性變形能力，消除材料變形時產生的內應力，避免材料沖壓過程中破裂或起皺，提高沖壓零件成形精度。

鈦與鈦合金沖壓成形工件的應用現狀

鈦與鈦合金具有比強度高，耐腐蝕性好和生物相容性好等優點。鈦與鈦合金沖壓成形工件的應用范圍在不斷擴大，不僅應用于航空航天、海洋和生物醫療等，民用鈦合金的比重也在逐漸增大。

航空航天領域

鈦與鈦合金在航空航天領域中應用最為廣泛。鈦與鈦合金的沖壓成形工件主要用于航空航天器緊固件、液壓管、發動機機匣外殼、內外整流罩、導向器內環、壓氣機集氣室和燃料儲存裝置等。

海洋領域

鈦以其輕質、高比強、高比剛、高耐蝕、無磁性等優異性能被稱為“海洋金屬”，是海軍工程最有前途的金屬材料，被世界各國廣泛應用于水面艦船、水下潛艇、深潛器、水中兵器和通訊設備等領域。

鈦與鈦合金以其優異的綜合性能成為載人艙球殼的最佳材料，歐美等發達國家于20世紀60年代開始采用鈦合金制造深潛器載人艙球殼。為提高載人艙球殼的安全可靠性和結構效益，載人艙球殼大多采用半球殼整體沖壓成形工藝，如法國的6000m“鸚鵡螺號”、日本的“深海6500”及美國的“新阿爾文號”載人深潛器。而俄羅斯的“和平號”載人艙球殼采用瓜瓣焊接方式制備。與瓜瓣焊接球殼相比，整體沖壓成形半球殼的焊縫明顯減少，均勻性、一致性相對更好，疲勞壽命也會大幅提高。我國深潛器載人艙球殼研究起步相對較晚，2015年5月，我國首個4500m載人潛水器載人球殼在中國船舶重工集團公司第七二五研究所出廠，該球殼采用近α型鈦合金制造，先將鈦合金厚板分瓣沖壓成形，再進行組裝并焊接成球，球殼直徑為2.1m，是我國首次利用沖壓成形技術成功制造的大規格鈦合金半球殼。

日常生活領域

隨著鈦與鈦合金沖壓成形技術的不斷提高，以及低成本鈦合金的開發，鈦與鈦合金沖壓制品在日常生活領域中也得到了廣泛的應用。1953年日本光學工業公司將鈦合金沖壓成形件成功應用于尼康F相機焦點快門的金屬簾；1990年推出首架全鈦外殼照相機；京陶的G1（1994年）和G2（1996年）、富士的APS（1997年）照相機上都采用了鈦合金沖壓成形件外殼；富士通公司于1999年推出了鈦合金外殼的筆記本電腦INTERTOP CX300；部分手表外殼、手機外殼、筆筒和水杯等也利用鈦合金取代了傳統材料。此外，西北有色金屬研究院通過沖壓成形技術研發出一款重量輕、抗腐蝕性能好、無毒的純鈦鍋（圖1），已經進入了很多消費者的廚房。

圖1 純鈦鍋

其他領域

除了航空航天、海洋和日常生活領域外，鈦與鈦合金沖壓件也應用到了生物醫療和國防軍工等領域。由于鈦與鈦合金有很好的生物相容性，因此，通常被用于心臟起搏器、腦刺激器、脊髓刺激器、迷走神經刺激器等植入式有源醫療器械的外殼。此外，國防領域方面，我國某100mm迫擊炮座板是通過TA7鈦合金板整體沖壓成形得到的，西北有色金屬研究院研制的鈦合金頭盔（圖2）也是通過沖壓成形制成的。

結束語

鈦與鈦合金具有比強度高、抗腐蝕性能好、生物相容性好等優點，鈦與鈦合金沖壓成形工件廣泛應用于航空航天、海洋、生物醫療和國防等領域。此外，由于生產工藝的改善和低成本鈦合金的開發，鈦與鈦合金沖壓制品也逐漸走進了人們的日常生活中。因此，怎樣改善鈦與鈦合金沖壓成形性能，提高沖壓制品的成形精度，降低研發和生產成本，是推動鈦與鈦合金沖壓成形技術發展的關鍵所在，我國科研人員應該從以下幾個方面展開工作：

圖2 鈦合金頭盔

⑴使用有限元仿真模擬技術，對鈦與鈦合金材料成形進行有限元數值模擬，并結合實際生產，建立沖壓成形數據庫，預測材料成形過程中的破裂、起皺、減薄和回彈，評估成形質量，及早解決沖壓過程中的問題，確定合適的工藝參數，縮短研發周期，降低生產成本；

⑵冷沖壓成形過程難以實現時，采用熱沖壓技術，現階段熱沖壓技術主要采用恒溫加熱。由于沖壓過程中沖壓材料不同部位的變形程度往往不同，因此，可以根據沖壓材料不同部位變形量的需求采用變溫加熱，從而提高沖壓成形工件的尺寸精度，解決復雜沖壓工件的生產難點；

⑶與傳統材料相比，鈦與鈦合金具有諸多優勢，需要加大低成本鈦合金的研發和沖壓制品的推廣應用。