TA15鈦(tai)合(he)金的(de)(de)名(ming)義成分為Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V，由于加入了(le)α穩定元(yuan)素(su)Al、中性元(yuan)素(su)Zr以及β穩定元(yuan)素(su)Mo和(he)V，是一種高鋁當量近α合(he)金[1]。因此TA15既有(you)α型鈦(tai)合(he)金良好的(de)(de)熱強(qiang)性和(he)可焊性，又有(you)接近于α–β型鈦(tai)合(he)金的(de)(de)工藝塑性，最高使用(yong)溫度(du)可達到(dao)500℃[2]。隨著飛(fei)行(xing)器(qi)速度(du)的(de)(de)不斷提升(sheng)，對材料的(de)(de)性能和(he)結構(gou)提出了(le)更苛刻的(de)(de)要求，采用(yong)超塑成形/擴(kuo)散連接（SPF/DB）工藝制(zhi)(zhi)造航空部(bu)件在局(ju)部(bu)減重、精度(du)控制(zhi)(zhi)、降低(di)成本等(deng)方(fang)面有(you)巨大的(de)(de)優勢(shi)[3]。

近年來(lai)，國內外正在(zai)積極開(kai)展多層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)(gou)的研(yan)究工作(zuo)[4]，SPF/DB工藝可成(cheng)形(xing)出飛行(xing)器上(shang)廣泛(fan)應(ying)用的大型、復雜、密封多層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)中空結(jie)(jie)構(gou)(gou)。王 石川等 [5]使用MSC.Marc對(dui)TA15四(si)(si)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)板SPF/DB工藝進行(xing)了(le)模擬仿 真，模擬結(jie)(jie)果和試(shi)驗值高度吻(wen)(wen)合(he)(he)。 Salishchev等 [6]采(cai)用超細晶Ti–6Al– 4V鈦合(he)(he)金(jin)在(zai)750~800℃下(xia)制備了(le) 復雜的四(si)(si)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)中空結(jie)(jie)構(gou)(gou)，直立筋成(cheng)形(xing)質(zhi) 量好、表(biao)面(mian)無明(ming)顯缺陷。閆亮亮等 [7] 利用有限元(yuan)仿真優(you)化了(le)TA15鈦合(he)(he) 金(jin)四(si)(si)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)(gou)SPF/DB工藝參數，獲得 良好的擴散(san)連接界面(mian)，成(cheng)功制備了(le) 四(si)(si)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)(gou)件(jian)。李保永等 [8]對(dui)Ti60/ TA15異種(zhong)合(he)(he)金(jin)四(si)(si)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)(gou)舵面(mian)SPF/ DB進行(xing)研(yan)究，采(cai)用三維掃描、組(zu)織(zhi) 檢測(ce)對(dui)四(si)(si)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)(jie)構(gou)(gou)的型面(mian)進行(xing)分(fen)析， 在(zai)920℃時異種(zhong)材(cai)料之間(jian)的擴散(san)連 接界面(mian)基本(ben)消失(shi)且(qie)孔洞閉合(he)(he)。Lee 等 [9]開(kai)發(fa)了(le)相(xiang)關(guan)軟件(jian)對(dui)四(si)(si)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)板結(jie)(jie)構(gou)(gou) 的SPF/DB過程(cheng)進行(xing)模擬仿真分(fen)析， 并將仿真分(fen)析結(jie)(jie)果與(yu)試(shi)驗成(cheng)形(xing)后(hou)的 結(jie)(jie)果進行(xing)了(le)對(dui)比分(fen)析，模擬結(jie)(jie)果和試(shi) 驗結(jie)(jie)果較吻(wen)(wen)合(he)(he)。 

目前針對TA15合(he)金熱(re)加工過 程中(zhong)微(wei)觀組織(zhi)的(de)變化(hua)已經開展較(jiao)多 工作。張(zhang)旺鋒等(deng) [10]通(tong)過理(li)論和試(shi)驗 發現，對于近α型鈦合(he)金通(tong)過等(deng)溫(wen)變 形并配備合(he)理(li)的(de)冷卻可(ke)獲(huo)得綜(zong)合(he)性(xing) 能優異的(de)三態(tai)組織(zhi)。徐文臣(chen)等(deng) [11]采 用熱(re)模擬(ni)壓縮試(shi)驗研究了(le)TA15鈦 合(he)金的(de)動態(tai)熱(re)壓縮行為及其機理(li)。 

本文通過調研(yan)發現，SPF/DB工(gong) 藝中厚度(du)小(xiao)于0.5mm的(de)超薄(bo)板(ban)料研(yan) 究較少，且(qie)板(ban)料厚度(du)極薄(bo)導致成(cheng)形件 缺陷概率更高，亟(ji)須(xu)合理的(de)工(gong)藝參數 和嚴苛的(de)精度(du)控制。基于此，本文使 用(yong)厚度(du)為(wei)0.5mm和0.4mm的(de)TA15 軋(ya)板(ban)分(fen)別作為(wei)面(mian)板(ban)和芯板(ban)開(kai)展(zhan)有(you)限 元仿真，著重研(yan)究四(si)層中空(kong)超薄(bo)結 構(gou)SPF/DB過程的(de)壁厚和應(ying)力分(fen)布 以(yi)及相應(ying)的(de)微(wei)觀組(zu)織演變規(gui)律，以(yi)期  為(wei)TA15鈦合金(jin)超薄(bo)中空(kong)四(si)層結構(gou)的(de) SPF/DB工(gong)業化應(ying)用(yong)提供理論參考。 

1、試驗及方法 

1.1試驗材料 

試驗板材(cai)為(wei)寶鈦集團提供的TA15軋制板，其化學成分見表1。  

1.2高溫拉伸測試 

高(gao)溫拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)驗是檢測材(cai)料超塑 性能和探尋材(cai)料超塑性變形工藝參 數的最(zui)佳(jia)方法(fa)。高(gao)溫拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)驗是在(zai) CSS–8800型電子萬能拉(la)(la)伸(shen)機上進行 （圖1（a））；TA15鈦合金(jin)單向拉(la)(la)伸(shen) 試(shi)(shi)(shi)樣原始尺(chi)寸見圖1（b）。 高(gao)溫拉(la)(la)伸(shen)選用(yong)的恒應(ying)變速率分別 為0.01s –1、0.005s –1、0.001s –1，試(shi)(shi)(shi)驗溫度 分別為880℃、900℃、920℃、940℃。 拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)樣在(zai)加熱爐(lu)內加熱到指定溫 度后(hou)再保溫5min，拉(la)(la)伸(shen)試(shi)(shi)(shi)樣裝爐(lu)之(zhi) 前為了去除TA15表面(mian)的氧(yang)化層，需 用(yong)砂紙對試(shi)(shi)(shi)樣打磨到800目，最(zui)后(hou)噴 涂高(gao)溫抗氧(yang)化涂料Ti–1200玻璃防 護(hu)潤滑劑(ji)來抑制鈦合金(jin)在(zai)高(gao)溫拉(la)(la)伸(shen) 環境中氧(yang)化。 

1.3微(wei)觀(guan)組織觀(guan)察(cha) 

一般來(lai)說(shuo)，由(you)于超塑成(cheng)形過程中 材料要經(jing)歷較長時間的(de)(de)(de)(de)熱暴露和(he)(he)(he)較 大的(de)(de)(de)(de)變(bian)形量，微(wei)觀組(zu)織(zhi)(zhi)會發生(sheng)改(gai)變(bian)。 因此針對SPF/DB前(qian)后(hou)的(de)(de)(de)(de)組(zu)織(zhi)(zhi)變(bian)化 和(he)(he)(he)擴散(san)(san)連接狀況進行檢(jian)測，以獲(huo)得超 塑成(cheng)形后(hou)的(de)(de)(de)(de)晶粒形貌和(he)(he)(he)擴散(san)(san)連接后(hou) 的(de)(de)(de)(de)焊合率(lv)，焊合率(lv)計算公式(shi)如式(shi)（1） 所(suo)示。試驗采用金(jin)相(xiang)顯微(wei)鏡和(he)(he)(he)掃描 電鏡對SPF/DB后(hou)的(de)(de)(de)(de)組(zu)織(zhi)(zhi)特(te)征及擴 散(san)(san)連接的(de)(de)(de)(de)情況進行觀察(cha)。

 L=(l₁–l₂)/l₁×100% （1） 

式中，L為焊合率(lv)；l1為檢測區域(yu)成功 擴散連接長(chang)度；l2為檢測區域(yu)未(wei)擴散 連接長(chang)度。 

2、有限元仿真 

采用MSC.Marc對TA15鈦合金板超薄中空(kong)四(si)層結(jie)構超塑造成形過 程進行有限元模擬，該(gai)結(jie)構長和寬(kuan)均(jun)(jun)  為400mm，壓(ya)邊寬(kuan)度(du)(du)為48mm，成形 后的最大厚(hou)(hou)度(du)(du)≤0.9mm。四(si)層中空(kong) 結(jie)構三維形貌(mao)(mao)及(ji)局部放大區域(yu)如(ru)圖 2（a）和（b）所示(shi)。圖2（c）為中空(kong) 結(jie)構的內部形貌(mao)(mao)示(shi)意圖，藍色線區域(yu) 為擴散連接(jie)邊界(jie)，擴散連接(jie)區域(yu)寬(kuan)度(du)(du) 為4mm。四(si)層中空(kong)結(jie)構的兩層面(mian)板(ban) 厚(hou)(hou)度(du)(du)均(jun)(jun)為0.5mm，兩層芯板(ban)厚(hou)(hou)度(du)(du)均(jun)(jun) 為0.4mm。 

2.1前處理 

考慮到四(si)(si)層中(zhong)空結(jie)構具(ju)有對(dui)稱 性，因(yin)此只建(jian)立下(xia)側(ce)作為(wei)限元模型(xing)的 計算(suan)域(yu)（一層面(mian)(mian)板(ban)、一層芯(xin)板(ban)）。通(tong) 過(guo)MSC.Marc的導入端口，把經過(guo) Hypermesh處理后(hou)的模具(ju)、板(ban)料分別 導入。單元類(lei)型(xing)選用四(si)(si)節點的矩形 殼單元，芯(xin)板(ban)和面(mian)(mian)板(ban)的總計單元及節 點數量分別為(wei)20000個、20402個。 按照(zhao)四(si)(si)層結(jie)構的制造工序，需要進(jin)行 兩(liang)次熱成(cheng)形，首先對(dui)面(mian)(mian)板(ban)進(jin)行超塑氣(qi) 脹，然后(hou)對(dui)芯(xin)板(ban)進(jin)行超塑成(cheng)形。圖3 為(wei)超薄中(zhong)空四(si)(si)層結(jie)構面(mian)(mian)板(ban)、芯(xin)板(ban)先后(hou) 成(cheng)形的示(shi)意圖。 

2.2材料特(te)性 

超塑成形屬于大變形，幾乎沒有 回彈，因此材料變形模型選為剛塑性 模型。本構方程遵循PowerLaw準 則，即流動應力與應變和應變速率之 間的關系為
式中，σ為流變應(ying)(ying)力；ε.為應(ying)(ying)變速率(lv)；K 為材料常數；m為應(ying)(ying)變速率(lv)敏感指(zhi)數。 通過計(ji)算獲(huo)得(de)TA15鈦合金(jin)在(zai)不(bu)同溫 度下的m值和K值，如(ru)表2所(suo)示。 

圖(tu)4為(wei)TA15鈦(tai)合(he)金(jin)高(gao)溫拉伸 后的(de)應(ying)(ying)力–應(ying)(ying)變曲線以(yi)及ε.=0.005s –1 對(dui)(dui)應(ying)(ying)的(de)延伸率(lv)。根(gen)據(ju)李(li)保永 [12]對(dui)(dui) TA15超(chao)(chao)塑性(xing)成(cheng)形(xing)(xing)的(de)相關研(yan)究，獲(huo)得 TA15鈦(tai)合(he)金(jin)最佳的(de)超(chao)(chao)塑成(cheng)形(xing)(xing)溫度范(fan) 圍在880~930℃之間。 由(you)于在整個成(cheng)形(xing)(xing)過程中，上(shang)下(xia)模 具(ju)變形(xing)(xing)量可忽略不計，故定(ding)義接觸體 時，模具(ju)定(ding)義為(wei)剛(gang)體，面板和(he)(he)芯(xin)板分(fen) 別(bie)定(ding)義為(wei)變形(xing)(xing)體1和(he)(he)變形(xing)(xing)體2。變 形(xing)(xing)體和(he)(he)剛(gang)體的(de)摩(mo)擦(ca)類型均(jun)選擇雙線 性(xing)庫侖(lun)摩(mo)擦(ca)模型，剛(gang)體和(he)(he)變形(xing)(xing)體摩(mo)擦(ca) 系數設(she)為(wei)0.2，兩個變形(xing)(xing)體間的(de)摩(mo)擦(ca) 系數設(she)為(wei)0.22。對(dui)(dui)面板區域超(chao)(chao)塑變 形(xing)(xing)部(bu)(bu)分(fen)施加均(jun)布的(de)面載(zai)荷(he)以(yi)模擬超(chao)(chao) 塑成(cheng)形(xing)(xing)時的(de)氣(qi)壓(ya)加載(zai)。芯(xin)板擴散連 接區域和(he)(he)面板、芯(xin)板的(de)模具(ju)壓(ya)邊部(bu)(bu)分(fen) 均(jun)設(she)置(zhi)為(wei)三(san)軸固定(ding)約(yue)束。 

2.3計算設置 

有(you)限元(yuan)計(ji)算(suan)(suan)設置為超塑性成 形壓(ya)(ya)力(li)控制，使用(yong)的氣壓(ya)(ya)范圍為 0.0001~2.0MPa。采用(yong)最大應(ying)(ying)變(bian)速 率恒定法(fa)來加載(zai)(zai)成形氣壓(ya)(ya)，首先進(jin)行 面板(ban)(ban)成形，加載(zai)(zai)時(shi)間設為2000s。然 后進(jin)行芯板(ban)(ban)成形，加載(zai)(zai)時(shi)間同樣設為 2000s，時(shi)間步長采用(yong)多(duo)準(zhun)則自適(shi)應(ying)(ying)。 分(fen)析設置中，在非線(xian)性分(fen)析中選擇 大應(ying)(ying)變(bian)，同時(shi)使用(yong)Mentat多(duo)區(qu)并(bing)行、 GPU來提升計(ji)算(suan)(suan)效率。 

3、結果與討論 

3.1有限(xian)元仿真結果分析(xi) 

本文(wen)選取920℃作為(wei)試驗溫度。 如圖3所示，首先，氣壓(ya)(ya)逐步加(jia)載(zai)到 2.5MPa后(hou)保(bao)壓(ya)(ya)2h，面(mian)板超(chao)塑成形(xing) 的(de)同(tong)時進行芯(xin)板的(de)擴散(san)連接(jie)；然(ran)后(hou) 通過壓(ya)(ya)力(li)(li)機作為(wei)壓(ya)(ya)邊圈，提供高壓(ya)(ya)力(li)(li) 來充分擴散(san)連接(jie)其(qi)包覆區(qu)域(yu)，以保(bao)障 后(hou)續加(jia)壓(ya)(ya)過程不會漏氣；最后(hou)，先給 面(mian)板區(qu)域(yu)通氣使(shi)(shi)面(mian)板脹形(xing)，面(mian)板完全 貼模(mo)后(hou)再(zai)給芯(xin)板通氣，使(shi)(shi)芯(xin)板脹形(xing)， 最終完成超(chao)薄(bo)中空四層(ceng)結構(gou)成形(xing)。 

圖(tu)5（a）為面(mian)板在脹(zhang)形后得到 的(de)厚度仿真(zhen)結果(guo)，可以明(ming)顯(xian)看出，面(mian) 板脹(zhang)形結束(shu)后，板料(liao)在4個(ge)圓角(jiao)減(jian) 薄(bo)(bo)最(zui)為嚴(yan)重(zhong)，減(jian)薄(bo)(bo)率(lv)達(da)到了(le)18.6%。 面(mian)板的(de)中(zhong)心區(qu)域減(jian)薄(bo)(bo)較(jiao)小，這是因 為該區(qu)域最(zui)先貼模，坯料(liao)與模具之 間的(de)摩(mo)擦力(li)抑制了(le)該區(qu)的(de)金屬向其(qi) 他區(qu)域補充。如圖(tu)5（b）所(suo)示，面(mian) 板脹(zhang)形的(de)等(deng)效(xiao)塑性(xing)應變(bian)分布很好地(di) 印證了(le)圖(tu)5（a）所(suo)示的(de)厚度減(jian)薄(bo)(bo)特 征。圖(tu)5（c）和（d）分別為芯板超 塑成形后的(de)厚度變(bian)化及等(deng)效(xiao)塑性(xing)應 變(bian)云(yun)圖(tu)，可知，區(qu)域1和區(qu)域3先于(yu) 區(qu)域2貼模，且圓角(jiao)區(qu)域減(jian)薄(bo)(bo)極為 嚴(yan)重(zhong)。 

3.2特征位置厚度、應變(bian)、應力分(fen)析 

3.2.1面板變(bian)形(xing)分(fen)析 

為(wei)定量(liang)(liang)研究面板(ban)超塑成形后的(de)(de)(de) 厚度(du)(du)和應變(bian)(bian)演變(bian)(bian)規(gui)律，通(tong)過圖6（a） 所示(shi)的(de)(de)(de)測量(liang)(liang)線(xian)進行數據(ju)圖提取。圖 6（b）為(wei)測量(liang)(liang)線(xian)上厚度(du)(du)、等效應變(bian)(bian)數 值(zhi)，顯然在(zai)(zai)壓(ya)邊圈(quan)覆蓋區域的(de)(de)(de)面板(ban)厚 度(du)(du)基(ji)本(ben)不變(bian)(bian)，從壓(ya)邊區至圓角(jiao)處厚度(du)(du) 迅速下(xia)降，而應變(bian)(bian)值(zhi)的(de)(de)(de)顯著提升也證 明在(zai)(zai)圓角(jiao)處變(bian)(bian)形量(liang)(liang)極大。從圓角(jiao)到 面板(ban)中心，厚度(du)(du)逐(zhu)漸(jian)增加(jia)至峰(feng)值(zhi)，應 變(bian)(bian)值(zhi)的(de)(de)(de)分布規(gui)律正好與之(zhi)相反。

由圖6可知，測量線上厚(hou)度變 化很曲折(zhe)，為(wei)(wei)精確研究(jiu)超塑成形(xing)過(guo)(guo) 程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)面(mian)板(ban)的(de)(de)變形(xing)規律，在(zai)圖6所(suo)示 的(de)(de)測量線上取(qu)3個特征點(dian)(dian)作為(wei)(wei)研究(jiu) 對象。如(ru)圖7（a）所(suo)示，A為(wei)(wei)面(mian)板(ban) 中(zhong)(zhong)(zhong)心位(wei)置；C為(wei)(wei)面(mian)板(ban)角部(bu)(bu)；B為(wei)(wei)角部(bu)(bu) C與(yu)中(zhong)(zhong)(zhong)心部(bu)(bu)A的(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)點(dian)(dian)。通(tong)過(guo)(guo)提(ti)取(qu)3 個特征位(wei)置在(zai)整(zheng)個超塑過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)數 據(ju)，得(de)到了整(zheng)個加工過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)厚(hou)度、 應(ying)(ying)力(li)變化規律。如(ru)圖7（b）所(suo)示，A 點(dian)(dian)最先減(jian)(jian)薄(bo)(bo)(bo)，但(dan)最終變形(xing)量很少，減(jian)(jian) 薄(bo)(bo)(bo)率(lv)僅為(wei)(wei)2.6%；B點(dian)(dian)的(de)(de)減(jian)(jian)薄(bo)(bo)(bo)率(lv)較(jiao)高， 約為(wei)(wei)5.4%；C點(dian)(dian)的(de)(de)減(jian)(jian)薄(bo)(bo)(bo)率(lv)最高，達到 18.6%，結合(he)圖7（c）發現(xian)，C點(dian)(dian)處(chu) 存在(zai)極(ji)為(wei)(wei)嚴重的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)(zhong)。通(tong)過(guo)(guo)圖 7（b）和（c），可以(yi)觀察到當面(mian)板(ban)脹(zhang) 形(xing)結束后，隨(sui)著芯板(ban)脹(zhang)形(xing)至面(mian)板(ban)位(wei)置 后，面(mian)板(ban)C點(dian)(dian)的(de)(de)厚(hou)度仍有小幅度的(de)(de) 減(jian)(jian)薄(bo)(bo)(bo)，減(jian)(jian)薄(bo)(bo)(bo)率(lv)約為(wei)(wei)2.8%，該(gai)過(guo)(guo)程(cheng)伴隨(sui) 著應(ying)(ying)力(li)的(de)(de)突然增大。 

為(wei)了(le)更(geng)直觀(guan)地(di)觀(guan)察超(chao)塑成形過(guo) 程中(zhong)面板(ban)厚度的(de)整體變化行為(wei)，提(ti)取 面板(ban)在4個時刻的(de)厚度分布數據繪 制(zhi)云圖，如圖8所示。可(ke)以發現面 板(ban)在脹形過(guo)程中(zhong)存在局部增厚的(de)微 小(xiao)區域，如圖8（b）所示的(de)白色點 狀區域。顯然，隨著面板(ban)脹形的(de)不斷(duan) 進行，越晚(wan)貼模的(de)位(wei)置板(ban)料厚度減薄 越嚴(yan)重(zhong)，這些位(wei)置也更(geng)容易出(chu)現開裂 等缺陷。 

3.2.2芯板(ban)變形分析 

在圖9（a）所示的(de)(de)測量線(xian)上提 取各節點的(de)(de)厚(hou)(hou)度、應變(bian)值，得到圖9 （b）所示的(de)(de)芯(xin)板(ban)厚(hou)(hou)度、應變(bian)變(bian)化規(gui)律 曲(qu)線(xian)。由于芯(xin)板(ban)變(bian)形具(ju)有對稱性(xing)，因 此(ci)以提取路徑的(de)(de)1/2作(zuo)為研究(jiu)對象。 由圖9（b）可知，壓邊圈覆蓋(gai)區域厚(hou)(hou) 度保持穩定，芯(xin)板(ban)的(de)(de)厚(hou)(hou)度在3個(ge)區域 的(de)(de)中心位置時都處于峰值，隨著遠離 中心線(xian)厚(hou)(hou)度開始降低，最嚴(yan)重的(de)(de)位置 減薄率(lv)可達到35.7%。 

在(zai)芯板(ban)(ban)上提取3個特(te)征點(dian)(dian)A'、B'、 C'，如圖10（a）所(suo)示，A'點(dian)(dian)為芯板(ban)(ban)區 域(yu)1的(de)中心位(wei)(wei)置；B'點(dian)(dian)為區域(yu)1下(xia)方 臨近(jin)擴散連接區域(yu)位(wei)(wei)置；C'點(dian)(dian)處(chu)于B' 點(dian)(dian)的(de)右側位(wei)(wei)置。如圖10（b）所(suo)示， 在(zai)面板(ban)(ban)脹(zhang)形期間，芯板(ban)(ban)厚(hou)度(du)基本不發(fa) 生(sheng)變化，當芯板(ban)(ban)開始脹(zhang)形后，B'點(dian)(dian)處(chu) 厚(hou)度(du)下(xia)降最快，但減(jian)(jian)薄(bo)并不嚴重(zhong)，減(jian)(jian) 薄(bo)率為32.3%；A'點(dian)(dian)處(chu)的(de)減(jian)(jian)薄(bo)率最小， 僅為7.5%；C'點(dian)(dian)的(de)減(jian)(jian)薄(bo)最為嚴重(zhong)，減(jian)(jian) 薄(bo)率達到55.1%。通過對比圖10（c） 的(de)應力變化，可知芯板(ban)(ban)脹(zhang)形期間，C' 點(dian)(dian)處(chu)的(de)應力值一直(zhi)高于其他位(wei)(wei)置。 

圖11為芯(xin)板(ban)在(zai)4個時刻的(de)(de)最大 壁(bi)厚分布(bu)云圖，發現(xian)芯(xin)板(ban)在(zai)SPF期(qi) 間有局部加(jia)厚的(de)(de)微(wei)小區域，如圖11 （b）所(suo)示的(de)(de)白色區域。與面板(ban)脹形(xing) 相似，隨著(zhu)脹形(xing)的(de)(de)繼續進行，越晚貼 模(mo)的(de)(de)位置板(ban)料變形(xing)更大、厚度更薄(bo)， 因(yin)此這些區域加(jia)載氣壓(ya)較(jiao)大時容易 開裂。 

3.3四層中空結構SPF/DB試驗結果 

按照圖(tu)12（a）所示的(de)氣壓(ya)加(jia)壓(ya) 方式(shi)，使用SPF/DB工藝成功(gong)制備(bei)了 TA15超薄四(si)層中空(kong)(kong)結(jie)構，四(si)層結(jie)構 實物如(ru)圖(tu)12（b）和(he)（c）所示。塑性(xing) 成形的(de)四(si)層空(kong)(kong)心結(jie)構表面質(zhi)量良好(hao) 且無溝槽等缺陷，板料充分貼(tie)膜，尺 寸(cun)精度(du)(du)控制較高。利用線切(qie)割將構 件切(qie)分后，可觀察到四(si)層結(jie)構內部直 立筋(jin)結(jie)構。直立筋(jin)成形質(zhi)量好(hao)，面板 和(he)芯(xin)板貼(tie)合緊密(mi)（圖(tu)12（b））；面板/ 芯(xin)板三(san)角(jiao)區(qu)和(he)網格(ge)筋(jin)條三(san)角(jiao)區(qu)空(kong)(kong)隙 很(hen)小，三(san)角(jiao)區(qu)寬度(du)(du)僅為0.9mm（圖(tu) 12（c））。 

由于超薄(bo)(bo)構件極易出現開裂等 缺陷，因(yin)此中(zhong)空結(jie)(jie)(jie)構的精度(du)控制主 要(yao)體現為(wei)(wei)厚(hou)度(du)減薄(bo)(bo)控制。依次選取 13個點(dian)進行壁厚(hou)測量（圖(tu)12（c））， 并與(yu)仿(fang)真(zhen)(zhen)結(jie)(jie)(jie)果(guo)(guo)進行對(dui)比。圖(tu)13（a） 為(wei)(wei)面(mian)板(ban)試(shi)驗與(yu)仿(fang)真(zhen)(zhen)的壁厚(hou)對(dui)比結(jie)(jie)(jie) 果(guo)(guo)，點(dian)1#~3#為(wei)(wei)壓邊區域(yu)，最(zui)大(da)誤(wu) 差為(wei)(wei)0.99%，點(dian)4#~11#為(wei)(wei)面(mian)板(ban)變形 區，最(zui)大(da)誤(wu)差為(wei)(wei)2.1%，證(zheng)實了(le)面(mian)板(ban)仿(fang) 真(zhen)(zhen)結(jie)(jie)(jie)果(guo)(guo)的可靠(kao)性(xing)。圖(tu)13（b）為(wei)(wei)芯 板(ban)試(shi)驗與(yu)仿(fang)真(zhen)(zhen)的壁厚(hou)對(dui)比結(jie)(jie)(jie)果(guo)(guo)，點(dian) 1#~3#壓邊區域(yu)最(zui)大(da)誤(wu)差為(wei)(wei)1.9%； 點(dian)4#~11#芯板(ban)變形區最(zui)大(da)誤(wu)差達 到6.9%；點(dian)12#~13#為(wei)(wei)直(zhi)立筋區域(yu)， 最(zui)大(da)試(shi)驗誤(wu)差僅(jin)為(wei)(wei)3.8%，驗證(zheng)了(le)芯 板(ban)仿(fang)真(zhen)(zhen)結(jie)(jie)(jie)果(guo)(guo)的準確性(xing)。 

超薄四層(ceng)中(zhong)(zhong)空結構在SPF/DB 過程(cheng)中(zhong)(zhong)出現缺(que)陷，芯板(ban)(ban)直立(li)筋擴散連 接的(de)接頭強度(du)不足，造成(cheng)芯板(ban)(ban)在脹(zhang)形(xing) 過程(cheng)擴散連接區(qu)失效，致使(shi)芯板(ban)(ban)未(wei)能(neng) 成(cheng)功脹(zhang)形(xing)（圖(tu)14（a））；芯板(ban)(ban)脹(zhang)形(xing)中(zhong)(zhong)， 板(ban)(ban)料嚴(yan)重減(jian)薄區(qu)在應力集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)的(de)情況 下開裂，導致芯板(ban)(ban)氣壓不足而未(wei)能(neng)實 現成(cheng)形(xing)到位(wei)（圖(tu)14（b））；圖(tu)14（c） 為(wei)有限(xian)元(yuan)模(mo)擬的(de)芯板(ban)(ban)厚度(du)嚴(yan)重減(jian)薄 區(qu)存在的(de)應力集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)現象，模(mo)擬的(de)應力 集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)位(wei)置(zhi)與試(shi)驗(yan)開裂位(wei)置(zhi)高(gao)度(du)一致， 驗(yan)證了該有限(xian)元(yuan)模(mo)擬的(de)精確程(cheng)度(du)。 通過有限(xian)元(yuan)模(mo)擬的(de)缺(que)陷分(fen)布情況，不 斷優化氣壓加載等(deng)工藝路線，最終提(ti) 高(gao)構件(jian)的(de)成(cheng)品(pin)率。

3.4TA15鈦合金SPF/DB組織分析 

試驗鈦合(he)金(jin)原始組織晶粒(li)(li)(li)細小 破碎且呈等軸(zhou)狀，α相(xiang)相(xiang)對較多，β相(xiang) 相(xiang)對較少(shao)，平(ping)均晶粒(li)(li)(li)尺寸(cun)小于5μm， 如圖15（a）所示。圖15（b）為超塑(su) 成形后的微觀(guan)組織圖，由(you)于超塑(su)成形 時間較長(chang)，鈦合(he)金(jin)組織經(jing)長(chang)時間熱暴 露(lu)，晶粒(li)(li)(li)發生(sheng)了(le)明(ming)顯長(chang)大(da)，細小α相(xiang) 在高溫(wen)作用(yong)下出(chu)現合(he)并長(chang)大(da)，破碎狀 細小α相(xiang)明(ming)顯減少(shao)。 

圖(tu)16（a）為芯板與(yu)面板擴(kuo)(kuo)散(san)(san)連(lian)(lian)(lian) 接SEM照(zhao)片，芯板與(yu)面板貼合處全 部(bu)完成了擴(kuo)(kuo)散(san)(san)連(lian)(lian)(lian)接，部(bu)分未(wei)貼合區域 是成形(xing)壓(ya)力不夠(gou)大和保壓(ya)時間(jian)不夠(gou) 長造成的，進(jin)一步增(zeng)大上(shang)述兩個工藝 參數(shu)可以(yi)使擴(kuo)(kuo)散(san)(san)連(lian)(lian)(lian)接面積進(jin)一步增(zeng) 大，最終焊(han)(han)合率(lv)可達到(dao)92.1%~98.5% （焊(han)(han)合率(lv)≥90%為優秀(xiu)）。圖(tu)16（b） 展(zhan)示了直立筋之間(jian)的擴(kuo)(kuo)散(san)(san)連(lian)(lian)(lian)接狀況， 其平均焊(han)(han)合率(lv)達到(dao)90%以(yi)上(shang)。 

4、結論 

通過有限元(yuan)仿真分析與(yu)成(cheng)形試 驗配合微(wei)觀組織檢測(ce)，研究了TA15超薄四層中空結構的(de)SPF/DB工藝， 得到以下結論。 

（1）通(tong)過有限元模擬，獲得壁厚、 應力的分布曲線(xian)以(yi)及氣壓加(jia)載曲線(xian)。 發現面板的4個圓角(jiao)減薄率最(zui)大(da)，最(zui) 高可(ke)達18.6%。芯板的最(zui)大(da)減薄區 在擴散(san)連(lian)接的直立筋形成(cheng)的圓角(jiao)附 近，最(zui)大(da)減薄率達到55.1%。 

（2）在面板(ban)、芯(xin)板(ban)厚(hou)度減薄(bo)最嚴 重(zhong)(zhong)的區域存在較大的應力(li)集中(zhong)。薄(bo) 壁(bi)結構件在超(chao)塑變(bian)(bian)形過程中(zhong)，芯(xin)板(ban)厚(hou) 度減薄(bo)嚴重(zhong)(zhong)區域伴隨著極大的變(bian)(bian)形 行為(wei)，容易造成開裂致使芯(xin)板(ban)脹形失 效(xiao)。芯(xin)板(ban)脹形后與面板(ban)之間形成的 三角區寬度為(wei)0.9mm。 

（3）TA15鈦合金板原始晶(jing)粒平均(jun) 尺(chi)寸(cun)小于5μm，呈等軸狀，超塑成形 后(hou)，鈦合(he)金晶(jing)粒明顯(xian)長(chang)(chang)大且細小α相 合(he)并長(chang)(chang)大。各(ge)區域的壓力(li)加載條件(jian)和 焊(han)接時(shi)間不同(tong)，導致各(ge)區域焊(han)合(he)率不 同(tong)。優化(hua)擴(kuo)散連接工(gong)藝(yi)后(hou)，面板與芯 板之間的焊(han)合(he)率可為(wei)92.1%~98.5%， 直立筋的平均(jun)焊(han)合(he)率達到90%以上。 

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通訊作者(zhe)：蔣少松(song)，教授，博(bo)士，研究方向為高 溫鈦合(he)金(jin)、高強鋁合(he)金(jin)、耐(nai)熱(re)高強鎂合(he)金(jin)復(fu)雜 薄壁中空輕(qing)量化結構成形理論與技術。