持續電流作用下金屬間化合物NiAl薄板熱彎成形

劉屹巍，王重陽

持續電流作用下金屬間化合物NiAl薄板熱彎成形

劉屹巍1，王重陽2

（1.空軍裝備部駐大連地區軍事代表室，遼寧 大連 116000；2.哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱 150001）

為了解決和克服現有耐高溫金屬間化合物成形難、傳統等溫熱成形效率和能源利用率低的問題，開發持續電流作用下金屬間化合物薄板熱彎成形新技術。首先，對NiAl板材進行系統的升溫實驗，確定熱彎成形的電流密度。然后對NiAl板材進行三點彎曲實驗，確定凸模下壓速度。最后，在自行設計并制作的可實現電與載荷持續復合作用的熱彎成形裝置和陶瓷絕緣模具上對板材進行熱彎成形實驗。在電流密度為8.5 A/mm2、加熱溫度為1 300 ℃、凸模下壓速度為0.5 mm/min的實驗條件下，成形后的熱彎件尺寸精度良好、厚度均勻，無開裂和回彈產生。該方法主要針對熱彎曲成形工藝，解決了金屬間化合物難變形及傳統脈沖電流輔助熱成形難以在變形過程中持續通電的問題，改善了金屬間化合物成形時產生的開裂和回彈。

金屬間化合物；鎳鋁；脈沖電流；熱成形

新一代高推重比航空航天發動機熱端部件對超高溫結構材料性能要求十分苛刻，具有優良高溫性能和低密度的金屬間化合物被廣泛關注[1-2]。與傳統金屬相比，金屬間化合物中既有金屬鍵，又有共價鍵，共價鍵的存在增強了原子間的結合力，使得材料內部的化學鍵十分穩定，因此，金屬間化合物具有熔點高、耐磨性好、抗氧化能力和耐腐蝕能力強等優點，在航空航天等國防技術領域具有十分廣泛的應用前景[3-6]。

金屬間化合物，如鎳鋁、鈦鋁、鈮硅、鈮鎢等具有較高的高溫強度，高溫變形抗力較大，成形困難[7-12]。在金屬間化合物板材成形前，通常將板材放入加熱爐內加熱到成形溫度后，再對其進行熱成形加工。然而傳統的板材熱成形設備比較復雜，包括熱成形模具、壓力載荷平臺和加熱爐等，還涉及到板材加熱后轉移過程所需的設備，十分占用空間。該過程不僅系統龐雜、操作難度大，而且有加熱效率低、能耗大、轉移板材過程中熱量損失嚴重等缺點[13-15]。另外，還存在所需加熱時間較長，以及容易發生板材內部晶粒顯著長大、材料力學性能下降明顯、表面氧化嚴重等缺陷。

脈沖電流輔助加熱系統具有可持續通電、加熱迅速、占地較少、節能環保、熱量損失小、組織性能好、氧化少及可實現自動化等優點。近年來，隨著新材料、新工藝研究不斷地深入發展，特別是高密度脈沖電流在材料制備及加工過程中的應用越來越受到重視，脈沖電流輔助熱成形技術被廣泛應用在熱沖壓、鍛造等領域[16-21]。楊以鵬[22]研究了不同曲率半徑TC4圓弧件的自阻加熱拉壓復合成形工藝，證實了成形工藝的可行性。肖寒等[23]利用自阻加熱成形裝置進行了5A90 Al-Li合金桁條零件的成形實驗，結果表明，室溫下成形的零件表面有裂紋，而利用脈沖電流將合金加熱到340 ℃后成形的零件質量良好、成形時間短、能耗低，極大地提高了成形效率。而且設計的新型電流自阻加熱成形裝置能有效克服絕緣和板材夾持問題，并易于實現自動化。Yanagimoto等[24]采用電流加熱方法對板材進行了熱軋制成形，加熱速度快且能耗低，成形后的零件質量良好。Mori等[25]采用自阻加熱的方法，研究了高強鋼板SPF590Y、780Y的高溫彎曲工藝，提高了成形效率，并解決了回彈問題。

大多數電流輔助成形都是將材料加熱到成形溫度后斷電，再進行成形。在成形過程中，材料溫度會逐漸下降，導致板材成形困難，出現開裂情況，回彈也比較明顯。文中設計并制作了熱彎成形裝置和陶瓷絕緣模具，采用成形過程中電與載荷持續復合作用的新方法，對NiAl板材進行熱彎成形實驗，以獲得尺寸精度良好的熱彎件，并解決金屬間化合物常規熱彎成形開裂和回彈的問題。

1 實驗材料與方法

利用電流的焦耳熱效應能實現金屬板材的快速升溫，可迅速達到成形溫度、降低能耗、有效減少板材表面氧化，采用自阻加熱成形零件的方法能實現快速加熱成形，從而縮短成形周期，簡化實驗裝置。在NiAl板材電流自阻加熱彎曲實驗之前，對板材坯料進行電加熱升溫實驗，用以確定較為合適的升溫保溫電流參數，確保迅速有效地達到板材彎曲溫度。電流自阻加熱升溫實驗裝置如圖1所示，其由高頻開關電源、紫銅電路、柔性夾持裝置、紅外測溫攝像頭和電腦等組成，加熱過程的溫度數據可以被實時記錄下來。實驗所用NiAl板材是通過線切割在粉末冶金方法自制的NiAl塊體上切割獲得的，升溫實驗所用NiAl板材尺寸為95 mm×9 mm×4 mm，如圖2所示。

圖1 電流加熱升溫實驗裝置

圖2 電流加熱NiAl板材

為了得到NiAl板材在熱彎曲實驗的凸模下壓速率，在AG-X Plus 250 kN電子萬能實驗機（圖3）上對NiAl板材進行高溫下的三點彎曲實驗。實驗溫度為1 000 ℃，壓頭加載速率分別為0.5、0.7 mm/min。

熱彎曲實驗中所用NiAl板材尺寸為55 mm× 15 mm×1 mm。實驗所用脈沖電流輔助熱彎實驗裝置如圖4所示，裝置由載荷平臺、紫銅電路、陶瓷凸模、陶瓷凹模等構成。該裝置的設計創新點：通過陶瓷凸模、陶瓷凹模來實現電路與載荷平臺的絕緣，位于兩側的電極可以連接紫銅電路。

圖3 AG?X Plus 250 kN電子萬能實驗機

將模具安裝在熱成形壓力機上，將NiAl板材放在凹模上，加載電流前，凸模先對NiAl板材施加一定載荷以保證板材貼合電極，避免在電流加熱板材時造成板材與電極接觸不良而產生加熱不均或無法加熱等現象。然后接通電路，將板材加熱至成形溫度，凸模下壓，當板材和凹模貼合后，保壓30 s，減小電流，凸模上升，成形過程結束。整個成形過程中，要保持電路持續通電，以保證板材一直處于高溫狀態，便于熱彎曲成形。當壓力機的壓頭抬起后，隨著溫度下降，熱彎件和模具之間由于熱膨脹系數差異會自動分離。

2 結果與討論

2.1 升溫實驗過程

圖5a—c是NiAl板材從通電到升溫至成形溫度的整個過程。從圖中可以看出，通入電流后，板材中間部位升溫最快，然后兩端開始升溫，最后整個板材達到同樣的溫度。這是因為實驗中的夾持裝置材質是不銹鋼，和板材的導熱系數不同，使局部溫度較低，因此會大大降低板材兩端的溫度，導致中間部位升溫快，兩端升溫慢。對比傳統加熱方式，電流輔助加熱可以實現材料溫度迅速升高到指定溫度。

圖4 脈沖電流輔助熱彎實驗裝置

圖5 NiAl板材電流輔助加熱升溫過程

2.2 電流密度對平衡溫度和升溫速度的影響

實驗采用連接有鉑銠熱電偶的三通道測溫儀器，在升溫過程中每隔10 s測量一次板材的實時溫度，誤差不超過±10 ℃。實驗設置了4種不同大小的電流密度，分別是6、8、8.5、10 A/mm2，不同電流密度下達到的平衡溫度及達到平衡溫度所需的時間如表1所示。

表1 不同電流密度下的平衡溫度及達到平衡溫度所需時間

Tab.1 The equilibrium temperature and the time to reach the equilibrium temperature at different current densities

從表1可以看出，當電流密度為6 A/mm2時，升溫速率較慢，且溫度不能達到成形溫度。當電流密度為10 A/mm2時，升溫極其迅速，容易產生局部急劇升溫，達到NiAl金屬間化合物的熔點而發生熔斷，也容易超過測溫儀器量程而損壞儀器。綜上分析可以得出，電流密度為8.5 A/mm2左右是最合適的電流密度，且能達到后續電流加熱輔助成形所需溫度（1 300 ℃）。

2.3 凸模位移速率對成形的影響

在熱彎曲成形前，先對NiAl板材進行高溫三點彎曲實驗，實驗后得到的力-位移曲線如圖6所示。可以看出，當凸模位移速率為0.5 mm/min時，材料的最大位移為1.45 mm，計算后的彎曲強度為650.6 MPa；當凸模位移速率為0.7 mm/min時，材料的最大位移為1.24 mm，計算后的彎曲強度為664.4 MPa。由此可見，0.5 mm/min為合理的凸模位移速率。

圖6 不同位移速率下的力-位移曲線

2.4 熱彎成形過程

對于金屬間化合物，成形困難是限制其應用的主要因素。NiAl金屬間化合物的成形溫度高達1 250～ 1 350 ℃，實驗采用成形過程中持續通電的新技術，設置電流密度為8.5 A/mm2，在溫度為1 300℃、凸模位移速率為0.5 mm/min的條件下對NiAl金屬間化合物板材進行熱彎成形，其成形過程如圖7所示。隨著加熱時間的增加，板材溫度持續升高，當板材溫度達到預定加熱溫度后進行熱彎曲成形實驗。成形后零件如圖8所示，成形后的熱彎件尺寸精度良好、厚度均勻，無開裂和回彈產生。

圖7 NiAl板材熱彎成形過程

圖8 NiAl板材熱彎成形件

3 結論

1）研究了NiAl金屬間化合物板材的持續電加熱升溫規律，通過比較4組不同大小的電流密度對平衡溫度和升溫速度的影響規律，熱彎實驗確定選擇的電流密度為8.5 A/mm2。

2）進行了NiAl金屬間化合物板材高溫三點彎曲實驗，確定了合適的凸模位移速率為0.5 mm/min。

3）開發了一種金屬間化合物的電流輔助熱彎成形裝置及其成形方法，通過在成形過程中持續通入電流的熱成形新方法，保證了板材的成形溫度。在電流密度8.5 A/mm2、成形溫度1 300 ℃、凸模位移速率0.5 mm/min的條件下，對NiAl板材進行熱彎成形，成形后的熱彎件尺寸精度良好、厚度均勻，無開裂和回彈產生。

[1] SONG Hui, WANG Zhong-jin, HE Xiao-dong. Improving in Plasticity of Orthorhombic Ti2AlNb-Based Alloys Sheet by High Density Electropulsing[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(1): 32-37.

[2] LI Shi-qiong, ZHANG Jian-wei, CHENG Yun-jun, et al. Current Status on Development of Ti3Al and Ti2AlNb Intermetallic Structural Material[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2005, 34: 104.

[3] NOEBE R D, BOWMAN R R, NATHAL M V. Physical and Mechanical Property of the B2 Compound NiAl[J]. International Materials Reviews, 1993, 38(4): 193-232.

[4] BROSSMANN U, OEHRING M, APPLE F. Microstructure and Chemical Homogeneity of High Nb Gamma Based TiAl Alloys in Different Conditions of Processing [C]// International Symposium on Structural Intermetallics. The Minerals, Metals & Materials Society, 2001: 191-200.

[5] 林有智, 曹睿, 李雷, 等. 全層TiAl基合金室溫斷裂機制的研究[J]. 稀有金屬, 2007, 31(2): 148-153.

LIN You-zhi, CAO Rui, LI Lei, et al. Investigation of Fracture Mechanism of Fully Lamellar TiAl Alloy at Room Temperature[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2007, 31(2): 148-153.

[6] 曹睿, 朱浩, 陳劍虹, 等. TiAl基合金雙態組織平板拉伸連續卸載試驗的研究[J]. 稀有金屬, 2008, 32(1): 13-16.

CAO Rui, ZHU Hao, CHEN Jian-hong, et al. Repeated Tension Test of Duplex Structure TiAl Based Alloys[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2008, 32(1): 13-16.

[7] WANG Lei, SHEN Jun, ZHANG Yun-peng, et al. Microstructure Evolution and Room Temperature Fracture Toughness of As-Cast and Directionally Solidified Novel NiAl-Cr(Fe) Alloy[J]. Intermetallics, 2017, 84: 11-19.

[8] NOSEWICZ S, ROJEK J, CHMIELEWSKI M, et al. Discrete Element Modeling and Experimental Investigation of Hot Pressing of Intermetallic NiAl Powder[J]. Advanced Powder Technology, 2017, 28(7): 1745-1759.

[9] BELOMYTTSEV M Y, LAPTEV A I, EZHOV I P, et al. Strength and Creep of Structural Materials Based on Intermetallic Compound NiAl[J]. The Physics of Metals and Metallography, 2006, 101 (4): 397-403.

[10] AZIMI M, TOROGHINEJAD M R, SHAMANIAN M, et al. Grain and Texture Evolution in Nano/Ultrafine- Grained Bimetallic Al/Ni Composite during Accumulative Roll Bonding[J]. Metals, 2018, 53(17): 12553- 12569.

[11] 吳靚, 段震, 張汭, 等. 稀土金屬Y對Ni-Cr-Al多孔材料高溫抗氧化性能的影響[J]. 精密成形工程, 2021, 13(2): 48-55.

WU Liang, DUAN Zhen, ZHANG Rui, et al. Effect of Rare Earth Metal Y on High Temperature Oxidation Resistance of Ni-Cr-Al Porous Materials[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(2): 48-55.

[12] 孫營, 林鵬, 苑世劍. 超高溫NiAl合金錐形薄殼件制備成形一體化新工藝[J]. 推進技術, 2021, 42(11): 2617-2624.

SUN Ying, LIN Peng, YUAN Shi-jian. A New Integrated Process of Forming and Reaction Synthesis for Ultra-High Temperature NiAl Alloy Thin-Walled Conical Components[J]. Journal of Propulsion Technology, 2021, 42(11): 2617-2624.

[13] SUN Hong-tu, HU Ping, MA Ning, et al. Application of Hot Forming High Strength Steel Parts on Car Body in Side Impact[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2010, 23(2): 252.

[14] 李超, 張凱鋒, 蔣少松. Ti-6Al-4V合金雙半球結構脈沖電流輔助超塑成形[J]. 稀有金屬材料與工程, 2012, 41(8): 1400-1404.

LI Chao, ZHANG Kai-feng, JIANG Shao-song. Pulse Current Auxiliary Superplastic Forming of Ti-6Al-4V Alloy Double Hemisphere Structure[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2012, 41(8): 1400-1404.

[15] 張凱鋒. 板材自阻加熱成形中電流的熱效應與極性效應研究進展[J]. 鍛壓技術, 2018, 43(7): 71-90.

ZHANG Kai-feng. Study Progress on Heat and Polarity Effects of Current in Sheet Metal Forming with Resistance Heating[J]. Forging ＆ Stamping Technology, 2018, 43(7): 71-90.

[16] 劉超, 孫祥云, 周金盛, 等. 脈沖電流作用下GH4169合金拉伸塑性及再結晶行為[J]. 塑性工程學報, 2021, 28(8): 169-174.

LIU Chao, SUN Xiang-yun, ZHOU Jin-sheng, et al. Tensile Plasticity and Recrystallization Behavior of GH4169 Alloy Under Action of Pulse Current[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2021, 28 (8): 169-174.

[17] 王忠金, 宋輝, 蔡舒鵬, 等. 脈沖電流誘導鈦合金板材裂紋愈合與組織演變研究進展[J]. 塑性工程學報, 2019, 26(2): 1-14.

WANG Zhong-jin, SONG Hui, CAI Shu-peng, et al. Research Advancements on Self-Heating of Cracks and Evolution of Microstructures of Titanium Alloy Sheets Induced by Electropulsing [J]. Journal of Plasticity Engineering, 2019, 26 (2): 1-14.

[18] 薛杰, 李保永, 秦中環, 等. 鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形精度控制[J]. 航空制造技術, 2020, 63(11): 69-75.

XUE Jie, LI Bao-yong, QIN Zhong-huan, et al. Accuracy Control of Pulse Current Assisted Hot Pressing Forming for Titanium Alloy Sheet Metal Parts[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2020, 63(11): 69-75.

[19] 趙文凱, 池成忠, 崔曉磊, 等. 電流加載方式對AZ31B鎂合金板材拉伸變形行為的影響[J].塑性工程學報. 2020, 27(4): 101-109.

ZHAO Wen-kai, CHI Cheng-zhong, CUI Xiao-lei, et al. Effect of Electric Current Loading Mode on Tensile Deformation Behavior of AZ31B Magnesium Alloy Sheet[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(4): 101-109.

[20] 夏琴香, 陳燦, 肖剛鋒, 等. 難變形金屬電?熱?力耦合作用下的電致塑性效應研究現狀[J].鍛壓技術. 2021, 46(9): 124-131.

XIA Qin-xiang, CHEN Can, XIAO Gang-feng, et al. Current Status of Research on Electroplasticity Effect for Difficult-to-deform Metals Under Electro-thermo-mechanical Coupling[J]. Forging ＆ Stamping Technology, 2021, 46(9): 124-131.

[21] 范蓉, 趙坤民, 任大鑫, 等. 脈沖電流對Al-Mg合金力學性能和斷口的影響[J]. 中國科學: 技術科學, 2016, 46(7): 717-721.

FAN Rong, ZHAO Kun-min, REN Da-xin, et al. Effect of Pulse Current on the Mechanical Properties and Fracture Behaviors of Al-Mg Alloys[J]. Scientia Sinica (Technologica), 2016, 46(7): 717-721.

[22] 楊以鵬. TC4曲面構件自阻加熱電塑性成形工藝研究[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2019: 65-70.

YANG Yi-peng. Study on Resistance Heating and Electro Plastic Forming Process of TC4 Curved Surfaces[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2019: 65-70.

[23] 肖寒, 張凱鋒, 姜巨福, 等. 5A90 Al-Li合金桁條電流自阻加熱成形技術[J]. 鍛壓技術, 2017, 42(7): 66-71.

XIAO Han, ZHANG Kai-feng, JIANG Ju-fu, et al. Current Resistance Heating Forming Technology of Al-Li Alloy 5A90 Stringers[J]. Forging ＆Stamping Technology, 2017, 42(7): 66-71.

[24] YANAGIMOTO J, IZUMI R. Continuous Electric Resistance Heating—Hot Forming System for High-alloy Metals with Poor Workability[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(6): 3060-3068.

[25] MORI K, MAKI S, TANAKA Y. Warm and Hot Stamping of Ultra High Tensile Strength Steel Sheets Using Resistance Heating[J]. CIRP Annals, 2005, 54(1): 209-212.

Thermal Bending of Intermetallic Compounds NiAl Sheet with Continuous Current

LIU Yi-wei1, WANG Chong-yang2

(1. Representative Office of the Air Force Equipment Department in Dalian, Liaoning Dalian 116000, China; 2. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The work aimsto solve and overcome the difficulties in forming of the existing high temperature resistant intermetallic compounds, and the low efficiency in the traditional isothermal forming and the underutilization of energy in the process, a new technology of continuous current thermal bending for intermetallic compounds sheet is developed. Firstly, with temperature experiments performed systematically for NiAlsheets, the current density of thermal bending is determined. And then, three point bending tests of NiAl sheets are made to identify the punch press speed. Finally, thermal bending experiments are carried out on a self-designed and manufactured thermal bending device and ceramic insulating mold that can combine current with load continuously. Under the experimental conditions of current density of 8.5 A/mm2, heating temperature of 1 300 ℃ and punch pressing speed of 0.5 mm/min, the thermal bending parts after forming are obtained with good dimensional precision, uniform thickness, and no cracking or springback. This approach is aimed specifically at thermal bending, difficulties in the intermetallic compounds deformation are greatly reduced. The problem that the traditional pulsed current assisted thermal forming is difficult to sustain power in the deformation process is also addressed, and cracking and springback are eventually avoided.

intermetallic compounds; NiAl; pulse current; thermal bending

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.12.015

TG306

A

1674-6457(2022)12-0140-06

2022?01?10

國家自然科學基金（52175297）

劉屹巍（1984—），男，碩士，工程師，主要研究方向為航空鈑金工藝、鈦合金零件的擴散連接/超塑成形和熱成形。

王重陽（1982—），女，碩士，工程師，主要研究方向為先進材料熱成形。