電磁成形技術在鈦合金板材成形中的應用

李奮強，陳新宇，蔣繼帥

（廈門理工學院 材料科學與工程學院，福建 廈門 361024）

電磁成形屬于高速率成形，在0.1 ms 內金屬工件的局部變形速度可達200 m/s 以上，局部獲得的動能相當大，材料的變形機理與低速加工時材料變形機理有很大差別。與傳統塑性成形方法相比，高速率成形主要有以下優點：增加材料的成形極限、減小回彈、抑制起皺。除此之外，電磁成形還有以下特點：①非接觸，成形件表面質量好；②易控制，重復性誤差較小；③單邊模具（只有凸?；虬寄＃?，節約了加工成本；④不需加潤滑油，可以改善工作環境等[1]。

目前我國航空航天裝備的各項服役性能指標正不斷推向新的極端。實現航空航天裝備極端服役性能的一個重要基礎為裝備本體結構輕量化，高可靠性、高耐久和抗損傷容限性能跨入新的技術極端，高性能輕合金大型整體構件是實現這一目標的有效手段與技術途徑。輕量化的主要途徑為采用輕質材料及輕質結構，因此，在結構設計中迫切需要采用鋁、鎂、鈦等輕質合金材料。與鋁合金及鎂合金相比，雖然鈦合金密度約為鎂合金的2.4 倍，鋁合金的1.6 倍，但鈦合金具有非常高的強度極限，其比強度高，約為鎂合金的1.5 倍，鋁合金的2 倍，而且鈦合金的工作溫度高達500 ℃，其高溫性能及耐腐蝕能力遠遠優于鋁合金和鎂合金，鈦合金一直是航空航天領域主要的輕質結構材料。零件的力學性能直接影響航空、航天飛行的安全性，這不僅要求各種結構零件的尺寸精度高、質量好，還對零件的力學性能和服役性能等綜合性能提出了更高要求，因此，急需探索一種新的加工方法，克服鈦合金板材常溫下成形性能差的不足，同時保證成形后工件具有較好的服役性能，滿足航空、航天等工業對高性能材料及結構的需要。

基于電磁成形技術的優點以及鈦合金在航空航天領域的廣泛應用，許多學者將電磁脈沖成形技術應用于鈦合金板材成形加工。下面分別從高速增塑、成形工藝、數值仿真等方面介紹鈦合金電磁成形技術的研究進展，并對未來的發展趨勢進行展望。

1 高速增塑

早在20 世紀60 年代，Wood[2]通過爆炸脹形的方法測試了TC4 鈦合金在不同變形速度下的斷裂極限應變，發現TC4 鈦合金在較高成形速度下脹形的極限應變得到了提高，如圖1 所示。M.Takahashi 等[3]采用平面螺旋線圈，純鋁作為驅動片對純鈦板進行電磁脹形，發現與準靜態下相比，純鈦板的成形極限得到了提高。

圖1 不同變形速度下TC4 鈦合金的極限應變[1]Fig.1 Ultimate strain of TC4 titanium alloy at different deformation velocities

Li 等[4]通過電磁脹形的方法，采用多層平面螺旋線圈并以2 mm 厚的鋁板作為驅動板，測試TC4 鈦合金脹形的成形極限，發現TC4 鈦合金板材在雙向拉伸應變狀態下成形性能提高了24.37%，提高幅度高于鋁合金5052-O。TC4 鈦合金電磁脹形的斷裂模式為韌性斷裂與剪切斷裂相結合的復合模式，不同于鋁合金A5052 的韌性斷裂模式，認為驅動片作用下鈦合金電磁成形中慣性效應是鈦合金成形性能提高的主要原因。另外，筆者[5]提出了一種測試電磁成形下低導電率材料成形極限的新方法。該方法通過獨特的試樣結構設計，成形極限圖右側（見圖2a）即雙向拉伸應變狀態，采用方形板料；成形極限圖左側即單向拉伸應變狀態，根據單向拉伸試樣標準，同時考慮到平面螺旋線圈產生的雙駝峰型電磁力分布特點，設計如圖2b 所示的坯料形狀（十字形試樣）。其中，主要尺寸為中間4 條筋帶的寬度，為10 mm 或15 mm。塑性變形過程中，平面應變狀態是比較苛刻的狀態；在成形極限測試中，平面應變狀態較難獲得。為了獲得平面應變狀態，根據鈦板在驅動片作用下的變形特點，設計如圖2c 所示的試樣（腰形試樣）。將按照試樣形狀加工好鈦板并在表面印上網格，借助鋁合金驅動片，采用單一平面螺旋線圈測試TC4 材料在磁脈沖作用下的成形極限，如圖3 所示。與準靜態下的成形極限相比，成形極限顯著提高，且平面應變狀態下的增塑效果優于雙向拉伸應變狀態，提高幅度達73.65%[6]。

圖2 獲得成形極限測試中不同應變狀態的試樣形狀設計[6]Fig.2 Sample shape design to obtain different strain states in forming limit test

圖3 TC4 鈦合金電磁成形與準靜態下的成形極限圖[6]Fig.3 Forming limit diagram of electromagnetic forming and quasi-static forming of TC4 titanium alloy

為了驗證電磁成形中TC4 鈦合金的成形性能得到改善這一現象，Li 等[7]搭建了如圖4 所示的電磁脹環實驗工裝，利用10 mm 高鋁合金驅動環對1 mm 高的鈦環進行測試，采用高速攝像機進行速度采集，構建了TC4 鈦合金的成形速度、應變率與成形性能的關系，如圖5 所示。當變形速度為2 mm/min（即準靜態）時，TC4 鈦合金的應變率為6.67×10-4s-1，最大均勻應變達到0.102；當變形速度超過準靜態速度，達到46.7 m/s 時，其最大均勻應變只達到0.032。隨著變形速度的上升，最大均勻應變也成正比增加。直到變形速度超過286 m/s 后，最大均勻應變才超過準靜態時，達到0.11 以上，此時應變率超過6935.6 s-1。電磁脹環實驗回收試樣如圖6 所示。隨著放電電壓的增加，斷口數及斷后長度逐漸增加。從斷口的韌窩大小、形態對變形速度-均勻應變關系進行解釋，如圖7所示。放電電壓越高，脹形速度越快，斷口的韌窩越能獲得充分變形，韌窩大且深，表明材料具有較好的成形性能。

圖4 電磁膨脹環過程位移測試示意[7]Fig.4 Diagram of displacement test in electromagnetic expansion ring

圖5 變形速度、應變率對鈦環最大均勻應變的影響[7]Fig.5 Influence of deformation velocity and strain rate on maximum uniform strain of titanium ring

圖6 不同放電電壓下的鈦環回收試樣[7]Fig.6 Titanium ring recovery samples at different discharge voltages

圖7 不同放電電壓下的鈦環斷面SEM 掃描結果[7]Fig.7 SEM scan of titanium ring section at different discharge voltages

為分析TC4 鈦合金板在不同變形速度下的結構響應，Li 等[8]采用光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡/電子背散射（SEM/EBSD）、透射電鏡（TEM）等分析工具對高速變形下的微觀結構進行研究，并與準靜態下變形的微觀結構進行了對比分析，揭示了電磁驅動成形時TC4 鈦合金的變形機理及性能：①動態加載下，TC4 鈦合金板材的晶粒尺寸變化不明顯，但晶粒被拉長；②由于材料流動及沖擊作用，試樣硬度分布不均，但織構沒有明顯變化；③TC4 鈦合金高速變形過程中，當變形量較小時，塑性變形以位錯滑移機制為主，當變形量增大，除了位錯滑移機制外，孿生機制也被激活，且孿生面為，有利于塑性變形，但數量較少。

林遵東等[9]通過霍普金森拉桿實驗、電磁成形實驗，測試了TA32 鈦合金的高應變率下的應力-應變曲線及成形極限，發現TA32 鈦合金的極限應變獲得了改善，并闡明了其增塑機制。

綜上分析，電磁成形技術應用于鈦合金成形加工中，由于高速率變形的慣性作用，可以改善鈦合金的成形性能。

2 成形工藝

2.1 驅動片的優化

電磁成形工藝適合成形導電性良好的金屬材料（如金、銀、銅、鋁及其合金），而對于導電性較差的金屬材料（鎂、鈦及其合金）及非金屬材料的成形，需要借助驅動片或驅動層。目前，主要采用高導電性材料作為驅動片，或是在坯料靠近線圈的一面涂覆一層一定厚度的導電層。電磁成形中，電容器儲存的能量在放電過程中會以不同形式耗散，只有其中一部分用于工件的變形，而不同的放電參數（電容C、電壓U和放電頻率F）會影響其成形效率。當采用驅動片驅動工件電磁脈沖成形時，不同的驅動片材料及厚度也會對電磁成形效率產生影響，因此，在成形設備工藝參數確定的情況下，為了提高能量利用率，應選用合適的驅動片（材料和厚度等）。Li 等[10]利用數值分析方法從理論上分析驅動片的選取原則。通過對不同形式驅動片作用下的TC4 鈦合金板材電磁脹形進行數值模擬與實驗研究，分析了不同的驅動片材料、厚度對能量利用率及工件變形均勻性的影響，同時分析了電磁脹形過程中鈦合金材料流動。研究發現：①工件的最大變形量是與驅動片的參數密切相關的，驅動片的選擇會明顯影響能量的利用率，如圖8 所示；②當驅動片的厚度小于趨膚深度時，驅動片越厚，所受電磁力越大。采用高導電性、易變形的材料作為驅動片，可以有效減少驅動片塑性變形所消耗的能量，提高能量利用率及工件變形的均勻性。對0.8 mm 厚的銅驅動片與2 mm 厚的鋁驅動片作用下的TC4 鈦合金板材進行電磁脹形實驗，如圖9 所示，對比證明該驅動片選擇原則可靠。

圖8 不同工況下能量利用率隨時間的變化曲線[10]Fig.8 Curve of energy utilization ratio over time under different working conditions

圖9 采用不同驅動片成形鈦合金板的輪廓[10]Fig.9 Titanium alloy plate profile formed by different driver plates

Gies S 等[11]通過不銹鋼板的電磁成形實驗，確定最優的驅動片材料和厚度，發現鋁驅動片要優于銅驅動片，而驅動片的厚度與電磁成形過程中電參數相關。H.Park 等[12]用數值仿真與實驗相結合的方法對鋁合金驅動高強鋼板DP780 電磁成形進行研究，分析了不同鋁合金型號與厚度對高強鋼變形的影響，發現采用低強度鋁合金AA1050 驅動效果最好。Huang等[13]采用數值仿真與實驗相結合的方法對T3 紫銅板驅動TA2 鈦合金的電磁成形進行分析，發現驅動板的外徑大小決定了TA2 鈦板的成形高度，而內徑大小會影響鈦板變形后的輪廓。

總之，高導電性低強度材料是驅動片的優選材料，而驅動片的厚度與系統的電參數密切相關[10—11]。

2.2 鈦合金電磁成形工藝

20 世紀80 年代，M.Takahashi 等[3]發現在無驅動片作用下純鈦板的變形量僅為2.3 mm，采用鋁合金驅動片成形鈦板，分析了不同鋁驅動片厚度產生的載荷大小以及不同驅動片半徑對磁場強度分布的影響。結果表明，載荷隨著驅動片厚度的增加而逐漸增加，直到厚度等于趨膚深度，載荷趨于穩定，但是驅動片太厚，變形阻力增大。研究表明，電磁成形工藝下材料的變形不均勻，但是能夠明顯提高材料的成形性能。

W.Tillmann 等[14]報道了采用熱涂層技術，在導電性差的金屬板材上添加一層導電性好的涂層作為驅動層，可以拓展電磁成形工藝的應用范圍，充分發揮其潛力。A.Revuelta 等[15]對AZ310-O 鎂合金及CP grade 1 鈦板的電磁成形進行了對比分析。結果表明采用鋁合金板做驅動片可以成形鈦板，電磁成形工藝可以提高材料的成形性能。S.Srinivasan[16]采用銅驅動鈦合金板與不銹鋼板進行電磁壓印成形，研究其成形性能。研究結果表明，采用驅動片可以有效提高成形效率。

在國內，Li 等[17]采用數值模擬與實驗相結合的方法系統研究了紫銅板驅動TC4 鈦合金電磁脹形的過程，詳細分析了驅動板與鈦板之間的相互作用過程，預測了TC4 鈦合金板的變形速度、應變率以及能量利用率。周海洋等[18]采用數值模擬與實驗相結合的方法對0.8 mm 厚的T3 紫銅板驅動TC4 鈦合金的電磁脹形工藝進行了分析，發現驅動片與工件之間的沖擊力大于直接作用的電磁力，同時工件的變形滯后于銅驅動片與工件碰撞產生的沖擊波傳遞。

聶鵬等[19]采用電磁校形原理，針對直徑為300 mm、高為600 mm、壁厚為2 mm 的大型航空鈦合金筒形件進行校圓實驗，設計了一種電磁沖模校圓方法。研究表明，相同放電電壓條件下，采用電磁沖模校圓方法較常規電磁校圓方法所得到的工件圓度平均值降幅增加20%以上，保證工件成形均勻性的同時提高了設備能量利用率。采用管件端口電磁校形對內徑為23 mm、壁厚為1 mm 的TC4 管件進行電磁校形實驗，并將管件端口的圓度作為評價指標，研究了放電電壓、線圈層數、放電次數及驅動片厚度對鈦管電磁校形的影響[20]。研究表明，提高放電電壓可有效提高校形效果，當放電電壓一定時，可通過增加線圈層數來提高校形精度；放電次數可以解決放電電壓低、鈦管變形小的問題，二次放電后校形效果提升不明顯，增加放電次數無法從根本上提高管件電磁校形精度；驅動片厚度的合理選擇對TC4 等低導電率材料的電磁校形具有重大意義，厚度過小與過大都會影響電磁校形的效果，其最優為趨膚深度厚度。室溫下采用帶驅動片的電磁輔助沖壓成形工藝對TC4 板材進行圓孔翻邊，能夠完全避免翻邊圓孔橢圓化、突緣平面翹曲等缺陷，并且設備及模具簡單、安全可控、成形效率高。

林遵東等[9]采用勻壓式電磁輔助彎曲成形的方法對TA32 鈦合金板開展實驗研究，發現電磁輔助彎曲成形方法能夠有效提高彎曲件的成形精度，并且在一定條件下，放電能量越高，貼模效果越好，成形精度越高。帶壓緊翼彎曲件的變形區外層過度伸長而產生減薄并開裂，不帶壓緊翼的彎曲件通過合理控制放電電壓能夠獲得較好的成形效果。

3 數值仿真方法

電磁成形數值模擬方法可分為松散耦合、順序耦合以及強耦合數值模擬 3 種。早期學者主要采用ANSYS 軟件進行順序耦合模擬分析；而強耦合模擬軟件主要集中在國外某些實驗室內部。針對帶驅動片的電磁成形工藝，為了解決變形板與驅動板二者之間空氣網格與沖擊碰撞模擬難以兼顧的問題，Li 等[21]提出了基于成熟的商業軟件ANSYS 和ABAQUS 平臺，分別進行磁場與結構場計算，通過外部程序在二者之間傳遞電磁力，建立了三維電磁成形多物理場耦合數值模擬模型，并采用該模型對無氧紫銅板驅動TC4 鈦合金電磁成形工藝進行了分析，獲得了驅動片與板料之間的沖擊作用以及電磁成形中板料變形規律，預測了磁場強度分布、電磁力分布、材料變形的應力-應變分布等重要信息。該方法對磁場的仿真是可靠的，能夠準確再現小變形工藝過程，對大變形工藝也能定性分析。采用提出考慮裂紋萌生擴展的數值模擬方法，對2 mm 厚鋁合金A5052-O 驅動片作用下的TC4 鈦合金板材電磁脹形損傷進行模擬分析，發現TC4 鈦合金板材電磁脹形時，中心位置在高速慣性作用下振蕩變形所引起的復雜應力狀態，是其最終在該位置萌生裂紋的原因[22]。為了進一步提高求解精度，對該方法又進行了優化，實現了電磁場結構場的雙向耦合分析，仿真計算流程如圖10 所示[23]，驅動片上不同時刻的電磁力分布預測結果如圖11 所示。2 種方法預測的變形位移與實驗結果的對比如圖12 所示。

圖10 改進算法的電磁成形數值仿真計算流程[23]Fig.10 Flow chart of EMF numerical simulation of the improved algorithm

圖11 不同時刻z 向電磁力分布云圖[23]Fig.11 Distribution of z-direction electromagnetic force at different times of numerical prediction

圖12 2 種不同方法預測結果及實驗數據對比[23]Fig.12 Comparison of prediction results and experimental data of two different methods

雖然2009 年，L'eplattenier P 等[24]就介紹了采用LS-DYNA 進行熱力磁相耦合方法，利用有限元進行導體分析，而空氣采用邊界元法進行計算。直到2013年11 月，LS-DYNA 才發布了帶有電磁模塊的新版本，為電磁成形研究提供了有利的數值工具。這也為帶驅動片的電磁成形工藝的強耦合數值模擬提供了工具，將有力促進電磁成形技術的發展。2016 年，達索公司也發布了Abaqus20016 版本，該軟件版本也具有電磁分析功能，為電磁成形數值提供了有利工具?？梢灶A期這些具有電磁成形分析模塊的商業軟件，將極大促進電磁成形技術在鈦合金板材成形中的應用研究。

4 總結與展望

從高速增塑、成形工藝、數值仿真3 個方面介紹了電磁成形技術在鈦合金板材成形加工中的研究現狀，目前該領域的研究還比較少。鈦合金的高強度要求了更高能量等級的電磁成形設備、更高強度的磁體線圈、更優驅動效果的驅動片。為了更進一步促進電磁成形技術的應用范圍，特別是在高強度難成形材料的成形加工上，可以從以下3 個方面開展研究工作。

1）線圈技術是阻礙電磁成形技術主要瓶頸之一，發展柔性高效高強度的線圈磁體是未來的主要趨勢。隨著材料技術的發展，高強度低電阻率材料將成為線圈磁體的主要材料；利用3D 打印技術的靈活性，采用多種材料的金屬3D 打印技術打印出帶有陶瓷絕緣的異形線圈，實現對磁場力時空分布的調控。

2）高效驅動方式，可采用銅箔、鋁箔以及不均厚的驅動片，進一步提高工藝適應性。發展可以重復使用的高效驅動器，進一步提高能量利用率。

3）隨著線圈技術的不斷提高，開發出鈦合金電磁成形新工藝，如鈦合金的電磁拉深、電磁壓印成形，電磁翻邊、電磁輔助彎曲等。引入其他能場（熱、振動、超聲）開發出新的鈦合金電磁復合成形工藝也將是一個重要的研究方向。