編者按：由我會(huì)遴選推薦的“特種能場(chǎng)輔助制造的科學(xué)原理是什么？”入選中國(guó)科協(xié)2020年10個(gè)重大科學(xué)問題之一并在中國(guó)科協(xié)年會(huì)上發(fā)布。針對(duì)該問題的科學(xué)研究進(jìn)展和工程應(yīng)用情況我會(huì)將予以持續(xù)跟蹤和介紹。本文所介紹的即為上海交通大學(xué)模具CAD國(guó)家工程研究中心李細(xì)鋒教授團(tuán)隊(duì)在鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形與變形缺陷修復(fù)等方面的研究進(jìn)展。
鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形新工藝
鈦合金具有強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能，應(yīng)用于輕量化、高溫和強(qiáng)腐蝕環(huán)境，通常被加工成各種特殊形狀零部件以滿足航空航天、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域的需求。但在室溫下，鈦合金的塑性低、成形性差，在大塑性變形下會(huì)產(chǎn)生裂紋、嚴(yán)重回彈等缺陷，所以室溫下塑性成形效果不佳，難以滿足航空航天領(lǐng)域復(fù)雜構(gòu)件控形控性的要求，因此，經(jīng)常采用高溫成形方法制造鈦合金零件。但是高溫成形的周期長(zhǎng)、工況復(fù)雜、能耗高，成形件晶粒粗大、表面氧化嚴(yán)重；并且，因?yàn)槟＞卟牧闲铦M足耐高溫和耐氧化等要求，會(huì)顯著增加了制造成本。既然高溫成形無(wú)法滿足節(jié)能環(huán)保、低成本的需求，研究者們自然將目光回歸特種塑性成形（后特指電致塑性成形），思考如何在成形過程中改善或者解決各種成形缺陷。
自從以Conrad為代表的學(xué)者（1978年）開始研究包括鈦合金在內(nèi)的多種金屬的電塑性以來(lái)，近60年的研究表明，給金屬通電流，一定程度上可修復(fù)缺陷，促進(jìn)其再結(jié)晶，推動(dòng)位錯(cuò)和晶界運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)金屬塑性。在不同的電致塑性成形工藝基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)電流的大小、頻率、通電時(shí)間、波形等，發(fā)展出一系列不同的電輔助成形工藝，電輔助拉深成形就是其中的一種。
在無(wú)電輔助的情況下，冷成形方式制造的TC4 鈦合金環(huán)段截面不光順，起皺嚴(yán)重，無(wú)法滿足使用要求。上海交通大學(xué)李細(xì)鋒團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值模擬、模具設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)證的方式，提出鈦合金環(huán)段脈沖電流輔助拉深成形工藝（圖1）。使用低壓大電流脈沖設(shè)備（12V/20000A）對(duì)450mm×275mm×1mm 的TC4鈦合金坯料加以1500A 的脈沖電流和1.5V 電壓，在1min 中內(nèi)升溫到所需的600℃左右，6min 內(nèi)完成鈦合金環(huán)段電輔助成形工序。對(duì)比TC4 鈦合金環(huán)段冷成形和電輔助拉深成形結(jié)果，電輔助成形環(huán)段截面光順，沒有明顯起皺，成形效率高。通過鈦合金環(huán)段尺寸精度的測(cè)量，可以看出電輔助成形的精度明顯提高，避免了起皺和回彈大等缺陷（圖2）。
圖1 TC4鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形過程
圖2 鈦合金環(huán)段件成形精度測(cè)量
團(tuán)隊(duì)還研究了脈沖電流對(duì)鈦合金預(yù)制缺陷和耐腐蝕性能的影響規(guī)律。
脈沖電流對(duì)鈦合金組織性能特征的影響
1.對(duì)預(yù)制缺陷的修復(fù)
將TC4薄板在常溫下預(yù)變形拉伸10% 后，內(nèi)部存在均勻分布的亞微米級(jí)孔洞，孔洞所占體積分?jǐn)?shù)約為2.21%。控制脈沖電壓40V和通電時(shí)間30s對(duì)預(yù)變形試樣分別進(jìn)行不同頻率的通電處理。頻率為120Hz時(shí)，孔洞數(shù)量開始減小，單個(gè)孔洞尺寸也有減小；頻率為140Hz時(shí)，孔洞變化趨勢(shì)延續(xù)，并且程度顯著加劇，形狀趨于球形；當(dāng)頻率繼續(xù)升高為160Hz時(shí)，孔洞所占體積分?jǐn)?shù)反而減少，且局部區(qū)域出現(xiàn)大尺寸孔洞，如圖3所示。
圖3 試樣預(yù)拉伸后經(jīng)脈沖電流處理后的內(nèi)部顯微孔洞分布（脈沖電壓40V，通電時(shí)間30s）
孔洞變小得以彌合，一般認(rèn)為有兩種機(jī)制：一種是原子的擴(kuò)散填充，脈沖電流促進(jìn)原子填入孔洞中；另一種是熱壓合機(jī)制，孔洞區(qū)域電阻較大，焦耳熱較高，導(dǎo)致材料內(nèi)部發(fā)生膨脹，但孔洞外側(cè)基體限制了孔洞向外的膨脹，故而孔洞向內(nèi)膨脹，處于熱壓縮狀態(tài)。而孔洞在160Hz電流下反而體積擴(kuò)大、占比增加的現(xiàn)象，研究者認(rèn)為是原子在到達(dá)孔洞表面前，就被更高頻率的電流轟擊導(dǎo)致離開。因此，為了彌合和減少孔洞，應(yīng)當(dāng)選取最佳的脈沖電流頻率，并非頻率越高越好。
2.對(duì)耐腐蝕性的影響
與對(duì)孔洞影響類似，脈沖電流頻率對(duì)退火態(tài)TC4鈦合金耐腐蝕性能的影響體現(xiàn)出單峰性。在200Hz電流下，耐腐蝕性能最佳。究其原因，是溫度不同引起的。200Hz時(shí)，最高溫度為457℃，退火態(tài)TC4中的少量亞穩(wěn)相開始轉(zhuǎn)變，短時(shí)內(nèi)使TC4的組織更加穩(wěn)定。頻率增加到300Hz時(shí)，溫度達(dá)到728℃，TC4開始發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，由于溫度相對(duì)較低，結(jié)晶不充分，產(chǎn)生大量處于結(jié)晶預(yù)備期的亞晶粒和胞狀亞結(jié)構(gòu)，這些亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)活性較高，更容易被腐蝕。頻率繼續(xù)增加到400Hz，溫度升高至792℃時(shí)，觀察到鑲塊式的再結(jié)晶晶粒，受腐蝕更為嚴(yán)重。當(dāng)頻率繼續(xù)升高到500Hz時(shí)，溫度達(dá)到851℃，亞穩(wěn)態(tài)組織更容易作為形核基體發(fā)生點(diǎn)蝕，因此TC4 的耐腐蝕性能急劇下降。
展望
在傳統(tǒng)成形工藝基礎(chǔ)上加脈沖電流外能場(chǎng)相復(fù)合，是對(duì)現(xiàn)有成形方法的補(bǔ)充與改善。研究表明，電輔助成形不同于傳統(tǒng)的熱成形工藝，在降低成形力、提高成形極限與精度等方面比傳統(tǒng)熱成形具有更佳效果。未來(lái)，成形技術(shù)研究方向?qū)⒊蚨鄠€(gè)能場(chǎng)耦合，例如將電場(chǎng)與電磁場(chǎng)復(fù)合，開展鋁合金材料的板管快速高效成形；將超聲場(chǎng)與電場(chǎng)復(fù)合，開展鋁合金或鎂合金的擴(kuò)散連接成形，突破鋁合金或鎂合金氧化膜問題阻礙其擴(kuò)散連接技術(shù)發(fā)展的瓶頸。合理利用多能場(chǎng)與材料相互作用的多種效應(yīng)，突破高強(qiáng)難成形材料的制造難題，將極大地促進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。