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高強鈦合金板材的室溫成形性

鈦板材因其強度高、重量輕、結(jié)構(gòu)剛性好等優(yōu)點而受到廣泛的認(rèn)可。高強鈦合金Ti-6Al-4V不僅可用于航空領(lǐng)域，也是汽車、化工等其它工業(yè)領(lǐng)域用結(jié)構(gòu)件的重要候選材料。

Ti-6Al-4V合金板材在室溫下的可成形性非常有限，成形后的回彈很大，這給傳統(tǒng)的沖壓和壓力成形帶來很多問題。盡管高溫下，Ti-6Al-4V合金板材的成形極限會有所提高，回彈會減小，但室溫成形在節(jié)約成本方面還是具有很大的優(yōu)勢。軋制成形是一種利用旋轉(zhuǎn)的軋輥使金屬坯料逐步變形而制成工件的成形方法，適合成形強度高且可成形性有限的結(jié)構(gòu)件，被越來越多的應(yīng)用在汽車工業(yè)中，主要用于成形超高強度鋼、高強度鋼等。由于軋制成形過程中，材料的回彈角小并且可通過簡單易行的方法進(jìn)行回彈補償，因此，軋制成形是Ti-6Al-4V合金板材室溫成形的一種有效方法。為此，Ossama等對經(jīng)820℃退火處理后的2mm厚高強Ti-6Al-4V合金板材在室溫下的成形及回彈行為進(jìn)行了實驗室研究。

實驗選用的Ti-6Al-4V合金板材的原始組織由93.86%的等軸α相和6.14%的β相組成，平均晶粒尺寸為1.3μm±0.7μm。室溫拉伸測試結(jié)果表明，其各向異性較大，與軋制方向成45°方向時，試樣的屈服強度最低，延伸率較高，且當(dāng)達(dá)到極限強度時，試樣會很快發(fā)生斷裂。成形極限測試試驗在裝有半球狀沖頭的設(shè)備上完成，半球沖頭的直徑為60mm。采用裝有4個先進(jìn)CCD相機(jī)的光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)“Autogrid Vario”來記錄每個試樣完整的變形歷史。通過設(shè)計不同的試樣形狀來測試不同應(yīng)變路徑的變形行為。

實驗發(fā)現(xiàn)，所有的試樣均在半球沖頭的頂部突然發(fā)生斷裂，斷裂前沒有明顯的緊縮現(xiàn)象，說明該合金的室溫成形性是非常有限的。對比分析了Ti-6Al-4V合金板材室溫彎曲和軋制成形時的變形行為。結(jié)果表明，擺錘折疊彎曲試驗和V型模彎曲試驗的最小彎曲半徑為9mm，而軋制成形的最小彎曲半徑為7.51mm，提高了15%以上。軋制成形可以成形更小的半徑尺寸且比簡單的彎曲成形回彈更小。這主要是由于軋制成形是一個多工步的累積變形過程，逐步多次變形可以抑制裂紋的長大，同時使材料的變形比普通的一次變形更加充分。另外，在高強鋼軋制過程中經(jīng)常出現(xiàn)的形狀缺陷在Ti-6Al-4V合金軋制成形過程中相對較少?？梢?，軋制成形是室溫成形航空及汽車結(jié)構(gòu)件用高強鈦合金板材的很有潛力的工藝方案。