輕合金復雜薄壁構件流體壓力成形技術新進展

苑世劍，劉 偉，王國峰，何祝斌，凡曉波

(1. 哈爾濱工業大學 流體高壓成形研究所, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 大連理工大學 高性能精密成形研究所, 遼寧 大連 116024)

0 引言

曲面薄壁構件是火箭、飛機、汽車等運載工具的關鍵構件，其幾何形狀、尺寸精度和綜合性能直接影響裝備的氣動性能、承載能力、有效載荷、燃料消耗等指標。隨著新一代航空航天飛行器、高鐵、新能源汽車等高端裝備向大型化、輕量化、高速化、長壽命、高可靠性方向發展，高性能復雜整體薄壁構件應運而生[1]。這類構件采用具有輕質、高強度、耐熱特性的先進結構材料，主要包括高強鋁(鋰)合金、鈦合金、金屬間化合物、高溫合金等；結構多采用整體化、薄壁化、復雜化的幾何構型。這類構件突出的制造難題是材料難變形，形狀復雜(輪廓尺寸大、局部小特征多、曲率突變、壁厚超薄)，性能要求高。材料難變形、形狀復雜與高性能互相耦合，使得此類構件制造難度極大，超出現有技術的成形極限，為傳統成形技術帶來巨大的挑戰。本文介紹幾種近年來發展的面向這類結構的成形新技術，包括異形截面管件低壓充液壓形技術、深腔曲面薄壁構件可控多向加壓流體壓力成形技術和難變形材料薄壁構件熱介質壓力成形技術。

1 異形截面管件低壓充液壓形技術

對于相同質量的材料，距離中性軸越遠，其抗彎截面模量(即抗彎能力)越大，抗扭截面模量和抗扭能力也呈現相同的規律。根據此力學原理，以承受彎、扭載荷為主的結構可設計為空心變截面構件，這是實現結構輕量化的一種重要方法。目前，工業上主要采用內高壓成形技術制造空心變截面輕量化結構。由于成形壓力與構件的圓角半徑成反比，與材料的屈服強度成正比，因此當相對圓角半徑小于3或高強材料(抗拉強度1 000 MPa)成形時，成形內壓高達3 000 atm(1 atm=1.013 25×105Pa)以上[2-4]。超高壓力導致對大型設備和模具的需求增大，同時容易引起圓角區過度減薄甚至開裂等問題，成為限制內高壓成形制造超高強鋼和輕合金復雜構件的一個瓶頸。

圖1 充液壓形工藝過程Fig.1 Procedure of hydro-pressing process

針對該問題，本文提出了低壓充液壓形新技術，其成形原理如圖1所示[5]。工藝過程可分為2個階段：1) 充液加壓階段。將預先壓制的管坯放在模具中，使管坯充滿液體介質，密封管坯兩端，然后將液體介質增壓到所需支撐壓力。2) 壓形階段。模具向下運動，管坯在模具的機械壓力和管內液體壓力的共同作用下發生變形，成為所需要的形狀。在壓制過程中，可通過控制系統調節管坯內液體壓力的大小，以確保支撐壓力在合理的范圍內。

與內高壓成形相比，充液壓形工藝具有以下優點：1) 液體壓力非常低，約為內高壓成形的1/10，因此不需要高壓源(增壓器)、閉環伺服控制系統和大噸位合模壓力機，模具受力小且結構簡單，因此可大幅降低設備和模具的成本。2) 沒有補料和增壓整形階段，消除了開裂缺陷，工藝穩定，成形效率是內高壓成形的2～3倍。3) 成形件減薄量小，零件壁厚均勻性好，提高了零件的使用性能。

充液壓形工藝之所以具有這樣的優點，是因為其變形機理與內高壓成形不同。圖2為2種成形工藝應力狀態比較。對于內高壓成形，在圓角區的應力狀態為雙向拉應力的脹形，必然發生減薄，通俗地講，需要很高的內壓才能把坯料“拉靠”模具圓角區；對于充液壓制成形，圓角區處于雙向壓應力狀態，由模具產生的推力把坯料“推靠”模具圓角區，此時內壓僅起到支撐作用。

圖2 應力狀態比較Fig.2 Comparison of stress states

長度約為5 m的復雜形狀異形管件如圖3所示。當選用一定直徑的管坯進行充液壓形時，各截面的壓縮率多在2%～3%，局部區域截面最大壓縮率可達10.9%。

圖3 復雜形狀異形管件(mm)Fig.3 Complex tubular component with irregular cross-sections(mm)

根據材料的屈服強度和管材尺寸，確定支撐內壓為13 MPa。充液壓形的數值模擬結果如圖4所示。壁厚分布規律為中部直邊區域壁厚發生輕微減薄，最大減薄率為2.6%；其余區域均增厚，豎直邊彎曲內側增厚較多，最大增厚率為43%。管件無內凹缺陷，各典型截面的圓角部位均貼模，圓角半徑達到設計值14 mm，成形精度好。如果采用內高壓成形技術，則需要的成形力為130～150 MPa，合模力約為3×104t。充液壓形僅需3 000 t合模力，因此充液壓形適用于制造大尺寸、帶有局部小圓角的構件。

圖4 異形管件充液壓形數值模擬Fig.4 Simulations of hydro-pressing of tubular component with irregular cross-sections

2 深腔曲面薄壁構件可控多向加壓流體壓力成形技術

大直徑薄壁(壁厚與直徑之比小于0.5%)鋁合金深腔曲面構件的整體精密成形技術一直是困擾國際塑性加工界的一個難題。美國、歐洲各國等采用“拼焊厚板(厚度大于50 mm)+熱旋壓制坯+數控銑削(厚度小于10 mm)”的技術路線制造大尺寸整體深腔曲面構件，但該技術存在工藝復雜、制造周期長、材料浪費嚴重(90%以上的材料被浪費)等問題。為了解決該難題，哈爾濱工業大學流體高壓成形技術研究所提出了可控多向加壓流體壓力成形新技術[6]，如圖5所示。通過控制正向與反向或徑向液壓載荷，用液壓伺服系統實時調控壓力比，使得坯料變形區處于既不起皺又不開裂的合理的應力狀態，解決了深腔曲面件起皺與破裂并存的國際性難題，突破了現有技術的成形極限。

針對大尺寸橢球形整體箱底構件的流體壓力成形，通過能量法建立了臨界起皺壓力和開裂壓力的理論模型[7]，利用該模型可預測成形壓力上限值和下限值，從而確定成形工藝窗口，避免起皺和開裂缺陷同時發生，如圖6所示。實驗結果驗證了該理論模型的正確性，從厚徑比0.23%的2219鋁合金半球形薄壁曲面件成形結果可看出：在工藝窗口內，可獲得無起皺和破裂缺陷的曲面件；在工藝窗口之下，成形曲面件均出現不同程度的起皺缺陷；在工藝窗口之上，懸空區反脹后發生破裂。成形工藝窗口對大尺寸構件成形工藝實驗具有重要的指導價值。

圖5 可控雙向加壓流體壓力成形技術原理Fig.5 Principle of fluid pressure forming with controllable double-sided pressures

圖6 成形工藝窗口及鋁合金曲面件Fig.6 Forming process window and formed aluminum alloy component with curved surface

可控多向加壓設備需要3路高壓流體介質增壓器及相應的數控軸，且3路壓力必須與拉深位移合理匹配，因此加載曲線控制難度非常大。同時，對大尺寸深腔構件還要建立大體積高壓流體介質。哈爾濱工業大學流體高壓成形技術研究所突破了多路流體壓力與位移匹配加載精確控制、壓力-體積協同控制、超大體積高壓液體增壓與傳輸等難題，聯合有關單位研制出世界上最大的大型板材流體成形機，其核心參數為拉深力150 MN，高壓液體體積5 m3。拉深力為此前最大的德國Schuler公司設備的1.5倍，高壓液體體積是其10倍。通過該設備先進的多向數控加壓功能，利用成形工藝窗口，解決了超大直徑薄壁深腔曲面構件起皺和開裂并存的難題，突破了厚徑比小于0.5%時無法整體成形的瓶頸，在國際上首次采用與構件等厚的薄板直接成形出直徑3 m級的鋁合金薄壁深腔曲面整體構件，如圖7所示。

圖7 超大型板材流體壓力成形機及產品Fig.7 Supersized sheet hydroformingmachine and formed product

為評價成形件的力學性能，沿著薄壁曲面件軋制方向(0°)、垂直軋制方向(90°)和軋制方向呈45°的方向，以及不同的緯度分別切取單向拉伸試樣，取樣位置和力學性能測試結果如圖8所示。經固溶處理—流體壓力成形—人工時效后，2219鋁合金構件抗拉強度平均值達440 MPa，相比于T6態板材提高了13%，高于設計要求值，不同方向上強度值波動不明顯，構件均勻性良好。流體壓力成形的整體箱底替代傳統的多塊焊接結構，完全消除焊縫，綜合力學性能優于傳統焊接結構，大幅提高了運載火箭的可靠性。這一進展顛覆了美國國家航空航天局、歐州空間局沿用幾十年的技術路線，打破了發達國家對我國火箭箱底整體制造技術的封鎖。

圖8 薄壁曲面件拉伸試樣取樣位置和測試結果Fig.8 Test positions and results of mechanicalproperties of thin-walled curved part

3 難變形材料薄壁構件熱介質壓力成形技術

鋁鋰合金、鈦合金、TiAl等難變形材料在室溫下塑性低，必須在加熱狀態下成形，如采用超塑成形技術。常規超塑成形技術主要存在以下問題：1) 減薄嚴重，壁厚不均；2) 組織內部空洞缺陷導致構件性能下降；3) 生產效率低，成本高[8]。針對現有熱成形技術存在的問題，提出了高效快速熱介質壓力成形技術，其成形原理如下：在模具內采用電流自阻加熱、感應加熱等快速加熱方式，以熱介質(氣體介質、熱油介質、顆粒介質等)作為柔性加載介質，并通過剛體模具與柔性介質復合，成形出難變形材料復雜形狀整體構件，最終在模具內通過高壓冷氣體實現形狀精度與組織性能一體化控制[9]。根據坯料結構形式，可分為管類構件和板類構件2種工藝，如圖9所示。

圖9 熱介質壓力成形技術原理Fig.9 Principle of hot medium pressure forming technology

熱介質壓力成形技術主要優點如下：1) 成形高效快速。采用直流電流直接作用于坯料，實現坯料的局部快速加熱，避免了傳統加熱爐加熱效率低、熱慣性大的缺點。采用高壓熱介質實現坯料的快速加載變形，并在成形后通過快速冷卻等措施，大大縮短成形周期。2) 溫度分區可控。通過控制電流大小，可直接控制坯料上不同區域的加熱效率和升溫速率，坯料上溫度分區可控，利用溫度梯度實現變形調控，尤其適合鈦合金復雜管類構件成形[10]。

大尺寸復雜整體構件成形后進行熱處理時存在如下難點[11]：1) 在淬火時極易因熱脹冷縮不協調而使構件產生嚴重形狀畸變，導致構件形狀尺寸精度不滿足要求；2) 利用布有冷卻水道的冷態模具進行淬火時，雖然在模具約束下構件的形狀畸變得以控制，但對于復雜整體構件，很難實現構件的均勻降溫，不同區域的組織性能也難以精確控制。針對該難題，提出了采用成形—模內高壓氣淬一體化形性調控方法，如圖10所示。在熱介質作用下成形為所需形狀構件后，將熱介質快速轉換為冷介質，構件被均勻冷卻并脫離模腔形成微小間隙，然后在構件的內側和外側同時通入高壓冷氣介質，實現進一步均勻降溫，完成構件的模內高壓氣淬。

圖10 成形—模內高壓氣淬一體化形性調控法原理Fig.10 Principle of forming-quenching with highpressure air in tool on controlling ofgeometrical and mechanical performance

采用冷/熱介質的快速轉換以實現模內高壓氣淬，具有如下主要優點：1) 均勻降溫。利用氣體的良好流動性，實現冷熱介質的快速切換，然后使高壓氣體與構件發生均勻的熱交換，從而實現均勻降溫，可避免傳統工藝中利用模具進行淬火時因冷卻水道布置困難、降溫不均勻而出現的形狀畸變等問題。2) 可控冷速。通過對氣體流動速度、氣體壓力的合理匹配，以及對溫度的實時監測，可使材料在特定的溫度范圍內以足夠的冷卻速率完成淬火，從而避開材料固有的淬火敏感溫度區間，實現組織演變過程精確控制。采用熱介質壓力成形技術制造的各種復雜曲面構件如圖11所示。

圖11 采用熱介質壓力成形技術制造的各種復雜曲面構件Fig.11 Various complex curved parts fabricated by hot medium pressure forming technology

4 結束語

針對新一代航空、航天等高端制造領域對高性能輕合金復雜薄壁構件成形的迫切需求，以及傳統成形技術面臨的困難和挑戰，發展出三大類新一代薄壁構件整體流體壓力成形技術和裝備。展望未來，輕合金復雜薄壁構件流體壓力成形技術在異形截面管件、深腔曲面板件、難變形材料等領域具有廣闊的應用前景，在解決制約復雜薄壁構件成形技術發展的瓶頸難題時將發揮不可替代的作用。