TC4钛合金薄壁舱体真空时效成形

可以得到圆度更高的筒形件。通过三个因素的讨论得 出本试验蒙皮卷件真空时效成形的的最佳温度： 650℃，保温时间：30min[3～6]。
4 真空时效成形试验
试验设备为真空炉，经 650℃，保温 30min 后得 到舱体蒙皮卷，成形前后尺寸对比如表 6 所示。经检 验，时效成形后的零件尺寸精度满足工程要求。
蒙皮卷回弹严重、圆度误差大，尺寸难以满足后道加 工与装配精度要求。为解决此型号舱体蒙皮卷圆度精 度差、回弹严重等问题，开展 1.5mm 厚钛合金薄壁舱 体蒙皮卷真空时效成形技术研究，使用有限元数值模 拟的方法分析温度、时间和初变形量对零件残余应力 与尺寸精度的影响，结合真空时效成形试验，确定 TC4 薄壁舱体时效成形最佳工艺参数[1，2]。
a 初始状态位移云图
b 2#件 41523S 处位移云图
c 2#件 a、b、c 点处半径变化图
d 4#件 a、b、c 点处半径变化图
图 6 2#和 4#蒙皮卷在 650℃时效成形位移图
a Mises 应力曲线图
b c 单元各个应力曲线图
图 7 2#蒙皮卷在 650℃的应力图
3.2 温度对残余应力及成形精度的影响
2 TC4 钛合金应力松弛性能测试
2.1 试验方案与设备 选用 550℃、600℃、650℃和 700℃四种温度对
TC4 钛合金进行应力松弛试验。试样为厚度 1.5mm 的 退火态 TC4 板材，其化学成分如表 1 所示。
作者简介：袁勇（1979-），高级工程师，金属材料工程专业；研究方向：轻合金热 加工技术与工艺性能研究。 收稿日期：2013-05-16
14
以 550℃、600℃、650℃和 700℃时 2#件时效成
航天先进制造技术国际研讨会专栏
航天制造技术
形为例，图 8 为四个温度下 2#件 d 点处单元的 Mises 应力变化曲线图。图中对比可明显看出，随着温度的 增大，校形后残余应力不断减小，温度对于校形后残 余 应 力 的 影 响 非 常 大 ， 在 700℃ 时其 应 力 基 本 为 0.05MPa 保持不变。四种温度下校形后选出最大、最 小值及其差值列于表 3 中。从表中可发现随着温度的 升高其校形精度不断提高，650℃成形精度最好。
3 有限元模拟
图 3 15.7%应变松弛曲线
3.1 模型的建立 将不同圆度的舱体蒙皮卷通过长短轴不同的椭
圆来表现，如图 4 所示，图中 a、b 分别代表椭圆的
13
航天先进制造技术国际研讨会专栏
2013 年 6 月第 3 期
长轴和短轴长度，四种不同椭圆尺寸见表 2。建立的 有限元模型见图 5，以该模型为基础分析温度、时间 和初始圆度对成形后的尺寸精度及残余应力影响。
航天先进制造技术国际研讨会专栏
2013 年 6 月第 3 期
TC4 钛合金薄壁舱体真空时效成形技术研究
袁 勇 1 崔元杰 1 李中权 1 张小龙 1 朱平国 2 （1.上海航天精密机械研究所，上海 201600；2. 上海航天电源技术责任有限公司，上海 201615）
摘要：通过建立 TC4 钛合金薄壁舱体真空时效成形有限元模型，分析了温度、时间和 初变形量对舱体蒙皮卷残余应力的影响，得出了零件真空时效成形合理工艺参数。进行了舱 体蒙皮卷真空时效成形工艺试验研究。试验结果表明：在温度 650℃、保温时间 30min 时， 时效成形的零件尺寸精度满足工程要求。
位置
高 10mm 处 高 147mm 处 高 285mm 处 高 434mm 处 高 560mm 处
1/mm
成形前
成形后
200.65
203.29
200.35
203.15
200.55
203.19
200.10
203.02
200.32
203.29
表 6 成形前后尺寸对比
2/mm
3/mm
成形前
成形后
成形前
成形后
表5
温度/℃ 最大半径/mm 最小半径/mm 半径差/mm
不同温度下的尺寸精度
550 99.65 99.95 0.3
600 99.86 99.92 0.06
650 99.98 99.99 0.01
图 10 给出了 2#和 4#蒙皮卷件在 550℃、600℃ 和 650℃下成形的 d 单元处的 Mises 应力曲线。2#件 的内径周长和工程要求尺寸相同，而 4#件的内径周长 比工程要求尺寸小 0.79mm。图中可以看到，在开始 时刻四号件应力增大比二号件大许多，而在升温过程 中差异逐渐减小，在 3000s 后基本一致，但总体成形 过程中四号件内应力比二号件偏大。另外，在 52200s 时刻（冷却时刻），四号件在各个温度下都出现应力 突然下降的现象。这是由于四号件内径偏小，模具对 其的胀大作用显著，筒形件内侧的切向压应力已经转 变为拉应力，而整个厚度截面上的应力在松弛过程中 趋向一致的拉应力，所以在冷却的过程中可以出现突 然弹性恢复过程。对于内径周长正常的筒形件在成形 的过程其内侧切向应力方向并没有发生变化，所以在 冷却过程中由于与外侧应力形成的内弯矩制约并出 现突然弹性恢复，且随着冷却过程的进行其内应力不 断增加。各个温度对比可以看出，随着温度的升高， 两种筒形件的应力差异不断减小，到 650℃已经很小 了。表 5 中为 4#件在三个温度下成形后的精度尺寸表， 可以看出其内径都比工程要求偏小，随着温度的升高
200.04
203.04
206.82
203.05
199.79
203.14
206.85
203.19
199.95
203.09
206.91
203.33
199.91
203.04
206.84
203.30
200.24
203.21
206.11
203.26
最大差值/mm
成形前
12
航天先进制造技术国际研讨会专栏
航天制造技术
表 1 TC4 钛合金化学成分 质量分数%
Ti
Al
V
Fe
C
N
H
O
基 5.5～6.8 3.5～4.5 0.3 0.1 0.05 0.015 0.2
测试设备为配有高温电炉的电子万能试验机。
2.2 试验结果与分析 图 1 为不同温度的应力松弛曲线。对比四幅图可
Abstract：By seting up the finite element model of TC4 alloy cabin vacuum-aging forming, the effects of temperature, time and initial deformation on the residual stress and dimension precision of the cabin were analyzed. The reasonable processing parameters for the vacuum-aging forming were obtained. Vacuum-aging forming of the cabin was carried out. The resluts show that the dimensional accuracy of cabin was in good conformity with project requirement when temperature is 650℃ and holding time is 30min.
15
航天先进制造技术国际研讨会专栏
2013 年 6 月第 3 期
精度不断升高，与表 4 对比可以看到，在满足工程要 求尺寸情况下，四号件的圆度更高。可见在合适的温 度下成形时，有必要适当减小内径周长。
通过有限元模拟分析可知，温度对于筒形件内应 力的消除及校形尺寸精度起着最主导的作用。保温时 间的影响在低温阶段有一点作用，而高温阶段作用几 乎没有。当筒形件的内径周长与工程要求一致时，筒 形件的初始圆度在差异不大的情况下，对残余应力和 校形精度影响很小；而内径周长比工程要求偏小往往
1.5
b
图4
蒙皮卷编号 长轴 a/mm 短轴 b/mm
a
横截面尺寸
图5 有限元模型
表 2 长短轴尺寸
1#
2#
3#
4#
203
202
201
200
197
198
199
198
以 2#和 4#舱体蒙皮卷在 650℃时真空时效成形为 例，模拟分析其在成形过程中的半径及应力变化情 况。图 6c 为 a、b、c 点和模具半径在成形及冷却过 程的半径变化曲线，图 6d 给出了 a、b、c 点和模具 半径在成形及冷却过程的半径变化曲线。其中 a、b、 c、d 四点分别对应于舱体蒙皮卷筒形件 1/4 模型中的 四个角上的单元，其中 a、c 点对于筒形件内层，b、 d 点对于筒形件外层。图 7 为 2＃蒙皮卷 a、b、c、d 四个单元处的应力变化曲线图。
关键词：TC4 钛合金；薄壁舱体；真空时效成形
Study on Vacuum-aging Forming Technology of TC4 Alloy Cabin
Yuan Yong1 Cui Yuanjie1 Li Zhongquan1 Zhang Xiaolong1 Zhu Pingguo2 (1. Shanghai Spaceflight Precision Mechanism Institute, Shanghai 201600； 2. Shanghai Aerospace Power Technology Co., Ltd., Shanghai 201615)
表3
温度 最大半径/mm 最小半径/mm 最大最小半径差/mm
不同温度下校形半径
550℃
600℃
650℃
99.65
99.98
99.98
100.36 100.09 100.08
0.71
0.11
0.08
700℃ 99.98 100.06 0.07
3.3 保温时间对残余应力及尺寸精度的影响
图 9 1#件 600℃不同保温时间的应力曲线
通过分析可知，温度对降低 TC4 板材残余应力起 着决定性影响，由图 1 可以看出，600℃时，残余应 力理论计算数值比实测值有较大偏离；650℃时，理 论计算数值比实测值偏离较小；700℃时，基本一致。 因筒形件成形后允许部分残余应力存在，且随着校形 温度增加，成本随之大幅提升，内部组织粗大，故校 形温度以 650℃为宜。增加保温时间同样可以起到减 小残余应力的作用，但效果不明显，且存在成本、效 率、质量等多方面问题。
Key words：TC4 alloy；cabin；vacuum-aging forming
1 引言
钛合金作为航空航天重要的结构材料，相对于其 他轻质材料在比强度、耐腐蚀性、高低温性能等方面 具有明显优势。但室温成形时，由于弹性模量仅为钢 材的一半左右，零件回弹严重，成形精度差。
真空时效成形是利用工件和模具之间不同的热 线膨胀系数，在高温状态下，根据高温软化和应力松 弛原理，实现零件热成形的一种工艺技术。该技术在 成形过程中不需要过多的工装夹具，能将弹性变形转 化为永久性塑性变形，国外已将该技术应用于制造飞 机的铝、钛合金的整体壁板。某型号钛合金薄壁舱体 为钣焊结构，舱体蒙皮卷内径 Φ(200±0.2)mm，壁厚 1.5mm，由钛合金板材圈圆成形后焊接而成。该舱体
看出，初始变形速度随着温度的增加对松弛残余应力 的影响越来越小。
a 550℃
b 600℃
c 650℃
d 700℃
图 1 不同温度下的应力松弛曲线
图 2 1500N 载荷松弛曲线
图 2、图 3 是钛合金在不同温度下的应力松弛曲 线。可以看出，初期残余应力直线下降，随着温度升 高，应力松弛速率逐渐降低直到基本不变，可见温度 对应力松弛速率影响随着阶段的不同而发生变化。
表4
温度/℃ 最大半径/mm 最小半径/mm
半径差/mm
1#件不同保温时间下尺寸精度
10
30
60
180
Leabharlann Baidu
99.94
99.95
99.96
99.98
100.16
100.15
100.14
100.12
0.22
0.2
0.18
0.14
3.4 初始形状对残余应力和尺寸精度的影响
图 10 不同温度下的应力曲线
图 8 Mises 应力变化曲线图
图 9 是 1#件在 600℃时，保温时间分别是 10min、 30min、60min 和 180min 后的应力曲线变化图。由图 可以发现，随着保温时间的延长，残余应力不断下降， 但随着时间的延长残余应力下降并不是太大，不如提 高温度对于应力的消除作用大。表 4 列出四个保温时 间后的零件尺寸精度，四件的校形精度都没有满足工 程要求。