引言

21世纪的新型飞行器拥有飞行速度快、突防机能强、攻击领域广、响应迅速蹬着点，已成为我国精准进攻兵器的沉要组成部门[1-3]。相较于传统飞行器，高明声速无人飞行器在主体结构的耐高温、轻量化、复杂流线表形等方面提出了更高的要求，相应的轻量化结构设计和造作工艺步骤也急需获得突破，多项造作难题亟需解决[4]。

钛脊合金作为上世纪50年代投入使用的金属结构资料，与其他金属资料相比其具备优异的比强/刚度、优良的高温机能以及抗侵蚀能力。因而，钛合金成为如今先进高明音速无人飞行器零件设计的首选轻量化结构资料之一，如国表某型号高明音速飞行器中钛合金占比达到整体零件资料的1/5~1/4[5-7]。TA15钛合金是一种近α型耐高温钛合金，其名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其持久服役温度可达500℃，是我国利用最为成功且宽泛迪胙合金，通常利用于高速无人飞行器等航天领域热结构部件[8]。

除选取轻质金属资料表，亦可通过结构设计优化，如将实体结构变为中空多层结构，在减沉的基础上实现构件强杜纂刚度的有效提升。对于钛合金等低延展性金属资料的中空多层结构，选取超塑成形/扩散衔接(SPF/DB)技术加工时可能实现大尺寸、复杂面板表形的精确成形，且预防了回弹问题，尤其是某些扩散机能较差迪胙合金资料也能通过先扩散焊接再超塑成形造备出拥有复杂面板表形的中空结构[9-10]。DU Z等[11]成形出 SPF/DB钛合金 4层中空网格构件，并分析其结构承载及弯曲个性。WUDP等[12]选取仿真分析和试验表征的步骤钻研了航空典型4层空心结构侧壁区域的危险值和压缩强度值，发显熹扩散衔接区域出现了开裂失效。彭鹏等[13]使用TA15预镂空面板进行SPF/DB试验，成形出减沉成效大幅提升的中空双层壁板。

可见，当前萦绕钛合金板材SPF/DB成形技术的钻研重要集中于型面单一以及加强筋几何状态单一的中空多层结构，难以满足结构高承载能力设计与轻量化精确成形的协同要求。钛合金中空多层结构的利用正朝着严苛高温委顿机能和复杂载荷工况前提方向发展，对加强筋几何状态的有关工艺和力学机能钻研依然不及。因而，本文基于TA15钛合金的超塑性变形特点及组织演变，选取数值仿照与成形试验对双层中空结构 SPF/DB工艺发展钻研，探求了空心加强筋几何状态对于双层结构的超塑成形质量以及弯曲力学个性的影响法规，为航空航天承载结构中TA15钛合金双层中空结构的工程利用提供了设计参考。

1、试验资料与步骤

1.1试验资料

本文选取的试验资料为TA15钛合金轧造板材，厚度为0.8mm，由宝钛集团有限公司出产。TA15为近α型钛合金，其合金成分是Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其中Al为α相不变元素，Mo、V为β相不变元素，Zr为中性元素。

TA15钛合金的原始组织的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)图与晶粒尺寸散布如图1所示。经过轧造后的TA15板材大部门由极藐幼的等轴α相组成,均匀晶粒尺寸davg为1.72μm,其散布大局靠近于正态散布,如图1b所示。β相弥散散布在α相晶界处，体积分数约为10.9%。

1.2试验设备及步骤

在840~940℃温度区间对TA15钛合金进行超塑性拉伸，试样尺寸如图2所示，应变速度别离拔取1x10^-3、1x10^-2和1x10^-1s^-1。试验起头前清洁试样表表并将线切割产生的表表微裂纹打磨光滑，超塑性拉伸试验选取三思纵横UTM5000电子全能试验机进行，该设备集中了拉伸、压缩、蠕变及剪切等多轴加载模式，可全面表征金属资料的力学机能。

资料的超塑性与其微观组织结构有着内涵联系，微观组织的演变影响资料在超塑成形过程中的变形机造，从而影响资料的超塑性。此表，超塑成形后的微观组织结构也决定了成形构件的使使劲学机能和结构齐全性[14]，通常以为超塑成形构件的晶粒尺寸幼于10μm时有益于提高其委顿寿命。TA15钛合金试样在试验设计的温度和应变速度领域下进行超塑性变形，试样拉断后立即水淬，以保留变形后的微观组织描摹。选取Quanta200FEG的场发射扫描电镜观察超塑变形后微观组织及断口处组织描摹，取样地位如图3所示，其中取样地位1用于微观组织观察,地位2用于断口描摹观察。

选取SPF/DB一体化成形工艺造备钛合金双层中空结构，在构件上切取测试件。选取型号为100kN Instron的全能资料试验机进行测试件三点弯曲试验。加载销/压头和支持辊由高强度钢造成，直径为Φ10mm，两支持辊之间的跨距为72mm。试验时，作为加载头的上方钢棒向下移动，加载速度设置为2mm.min^-1，试验温度为室温，全能资料试验机遇自动纪录整个过程中的位移及载荷，天生所需的载荷-位移曲线。图4所示为三点弯曲试验装置示意图，其中，H为试样高度，h。为加强筋高度，L为试样长度，L。为跨距，r为支持辊直径。

1.3有限元仿真

选取MSC.Marc有限元软件对TA15双层中空结构的超塑成形过程进行仿照，将板材界说为变形体，模具面界说为刚体。凭据超塑性拉伸试验了局推算TA15合金资料Backofen本构方程，得到应变速度敏感系数m与资料参数K值代人有限元资料模型中进行推算分析。梦想状态下，成形前后扩散衔接地位不产生变动，因而在仿照过程中设置此区域为固定的天堑前提。而在变形板料表表施加均匀散布的面载荷，施加方向和板料垂直，施加方式设置超塑成形节造，选取最大应变速度恒定法施加气压。成形过程中板料和模具表表存在摩擦力作用，摩擦因数设置0.2。

提取超塑成形仿真仿照的后处置了局，保留其非均厚网格单元尺寸和超塑变形特点，作为三点弯曲过程仿照仿真的原始分析模型。

2、了局与会商

2.1 TA15钛合金的超塑性及组织演变

图5为TA15钛合金试样超塑性拉伸试验前后试样状态对比Ｄ芄豢闯，经过超塑性拉伸变形后，应变速度较高的拉伸试样断口出现针尖状，而应变速度较慢的拉伸试样标距部门则未出现颈缩，变形均匀，为典型的超塑变形特点。在温度为840~940℃，应变速度为1x10^-3~1x10^-2s^-1前提下，TA15钛合金出现出优良的超塑性;当超塑拉伸前提为900℃/1x10^-3s^-1时，TA15钛合金的最大伸长率达到1340%，稳态变形阶段持续功夫较长，合金变形过程中出现显著的高抗颈缩能力。

依照正交试验准则，对TA15板材分歧应变速度以及温度下超塑性拉伸后断口组织进行观察，如图6所示Ｄ芄豢吹，高奔摹下各试样断口处均存在大量韧窝，从而能够确定TA15合金超塑变形时断裂机造为韧性断裂，并出现出优良的塑性变形机能。韧窝为金属微区中塑性变形产生的显微浮泛，通过空位形核，并由于应力影响逐步长大，当裂纹达到肯定尺寸后，试样断裂。通常来说，当断裂前提一样，韧窝尺寸愈大注明资料的塑性愈好，凭据图5钻研发现，随变形温度的升高和应变速度的降低，韧窝的数量逐步削减，尺寸和深度逐步增长(即色彩增深)，此景象和超塑变形试验了局吻合。

图 7为 TA15钛合金在1×10^-2s^-1、分歧变形温度下超塑变形后断口左近的微观组织,ε为应变量。变形温度较低时TA15合金的组织重要由等轴状α相和分散的β相组成,α相晶粒粗壮,且重要为初生α相。随着温度逐步提高，等轴α晶粒尺寸逐步减幼,β相含量逐步增长,并且在β相中起头出现次生α相。由图7可知,试样的真应变随β相体积分数的增长而增长,批注β相分数的增长提高了TA15合金的超塑性。通常以为，随着β相分数的增长，α/β和β/β晶界数量增长，α/α晶界数量削减。因而,由于α/β晶界滑动的贡献,超塑性成形机能提高。然而,β相体积分数的增长也会引起与静态和动态晶粒过度成长等有关的微观结构变动,从而导致超塑性的恶化[15]。当温度为940℃时,高β相体积分数导致伸长率降低。在所有变形阶段,高伸长率后的相状态维持等轴,这是超塑性的典型特点[16]。

2.2双层中空结构SPF/DB有限元仿照了局

图8所示为TA15板材在900℃/1x10^-3s^-1/3MPa前提下进行超塑气胀成形的仿真了局。板材在气压的作用下首先经历自由胀形，而后与模具型腔接触并贴模成形。1800s时，板材变形集中于顶部为陆续平面的II形加强筋地位，且靠近立筋与面板的圆角过渡地位板材的等效塑性应变较大，最大在气压的作用下首先经历自由胀形，而后与模具型部门板料贴合模具，但此时圆角处仍留有很大间隙，成形不齐全。5400s时，周围圆角也齐全贴模，与模具之间的缝隙进一步缩幼，最大等效塑性应变增大至0.76。

图9为TA15板材超塑成形厚度散布云图，加强筋处板材与模具贴合间隙很幼，周围圆角处充模成效优良。沿图9a所示方向进行厚度丈量，了局如图9b所示，显示了板材分歧区域的变形情况和加强立筋成形情况，其中，板材的扩散衔接地位厚度未产生变动。由图可知,600s时板材处于自由胀形阶段，分歧加强筋区域板材的厚度均匀变动;变形持续至1800s时，加强筋侧壁及凹下平面地位起头变形，同时Π形筋较其余状态加强筋率先起头贴模，中心区域板材减薄;当成形功夫增长时，加强筋立壁厚度根基不再变动，3600s后加强筋凹下平面地位逐步贴模，且此区域最终板材的成形厚度大于最深处区域，注明w形、M形与双直立加强筋型腔的设计改善了板料的流动情况，降低了中心区域的壁厚减薄。随着变形进一步进行，圆角地位变形急剧增长，直至5400s时靠近成形极限。最幼壁厚呈此刻双直立筋圆角区域，减薄率为57.5%，批注此处板材的弯曲减薄变形水平弘远于周围区域的双向拉伸减薄，为成形的危险区域。

2.3双层中空结构SPF/DB成形试验

凭据上述双层中空结构SPF/DB有限元仿照了局，进行结构件的工艺规划与成形模具的设计。SPF/DB成形流程如下:下料一板材预处置一涂覆止焊剂-毛坯组焊-查抄气密性-装炉升温-SPF/DB成形-降温取件-成形质量评估。双层结构件下面板料厚为0.8mm，拥有加强筋的面板料厚为1.2mm。由于扩散衔接对板材表表要求较高,氧化膜须齐全断根,因而需对加工的TA15钛合金板材选取化学洗濯、机械打磨相结合的方式进行表表处置。双层中空结组成形模具中上、下模与板材摆放地位及其实物图如图10所示。

前处置实现后进行双层结构SPF/DB成形试验,将组焊后的成形件装入模具并放入热压机，模具与板材随炉升至900℃，向模具通入氩气进行双层钛合金板材的扩散衔接，气压达到1.5MPa后保压30min，气压达到2MPa后保压60min。随后向模具型腔的不锈冈禅管中通入氩气，进行双层结构超塑成形试验，当加热炉温度达到900℃时，保压10min；诜抡辗治鲋薪ǜ牡钠骨咂鹜芳友，缓慢加压到3MPa时起头保压20min。试验实现后关关加热系统，随后卸载气路，降温并取出成形件，如图11所示Ｄ芄豢吹，结构件成形成效优良，表表质量较高，无肉眼可见缺点，切合要求。观察钛合金双层中空结组成形件的单侧面板发现，分歧几何状态的加强筋成形齐全，板料贴模成效优良，整体结构质量合格。

为分析TA15钛合金双层中空结构的厚度散布及其均匀性，取分歧几何状态的加强筋截面中各地位进行壁厚丈量。图12所示为4种空心加强筋截面的壁厚丈量点拔取示意图，由于为轴对称结构，仅选择单侧进行壁厚丈量,仿照与成形件实测了局的对好比图13所示Ｄ芄豢吹，仿照了局与现实了局相较吻合，对应地位的厚度差较幼，最大误差仅为2.4%，注明仿照了局靠得住。除II形筋表，其余空心加强筋的减薄程杜纂仿真法规一致，这是由丈量点地位的分歧造成的，仿真仿照时为预测成形过程的危险分裂区域，丈量地位取在空心加强筋圆角处，而试验验证时为观察空心区域成形情况，丈量地位取在结构1/2处。对于II形筋，其圆角处减薄程杜纂其余区域相差不大，壁厚散布较为均匀，这一点与其他截面状态的空心加强筋分歧，因而出现了仿真和试验法规性的差距。

为钻研扩散界面衔接质量，对成形后的双层中空结构拔取扩散区域进行切割,造备微观组织观察试样。由图可知，取样地位处扩散衔接质量较高，大部门区域已难以直接观察到扩散层，组织为典型等轴晶组织，仅边缘出现较幼的未齐全焊合区域，如图14所示。

2.4双层中空结构弯曲机能

图15所示为双层中空结构试验件进行弯曲试验后的实物图。由图可知，试验件在接受三点弯曲载荷作用时，高低两层板材受力大局存在差距，加载压头作用的加强筋侧芯板重要接受压缩载荷，而下方面板重要接受拉伸载荷作用，并且在上方加载压头左近的部门结构重要接受平压载荷作用，变形重要集中于此处。试验件在三点弯曲过程中阐发出典型弯曲变形特点，上芯板中心区域产生愚笨，存在轻微部门凹陷(压头下方)，下面板相对而言仅有少量变形，弯曲水平较幼，双层结构产生整体弯曲并在两端有肯定翘曲。室温前提下，在试验件与加载压头相接触部门的空心筋两侧以及下面板表表可观察到脆性断裂裂纹(图14中黄色单向箭头所示)。在三点弯曲试验中，结构的粉碎失效模式通常由上芯板和面板的愚笨失稳起头，陪伴着扩散衔接地位的脱焊粉碎，最终造成整个结构的失效粉碎。图16所示为三点弯曲试验与数值仿照了局粉碎地位的对比，其粉碎模式和粉碎地位根基一致，批注所成立的有限元模型靠得住并具备现实参考价值。

图17所示为弯曲载荷-位移曲线。由图可知，试验初期结构首先产生弹性变形，载荷-位移曲线沿肯定斜率直线上升。随后曲线斜率减幼且出现相对平缓的态势，结构进入屈服状态，这一阶段可用于表征双层中空结构的抗塑性变形能力。当加载力达到峰值后初始失效产生，曲线起头趋于降落，此时试验件产生显著的裂纹，但仍拥有肯定的抗弯承载能力。最后，曲线斜率再次变动，走向变得相对平缓，同时出现严沉的裂纹扩大和整个试样的严沉粉碎。对于部门试验件，在结构接受三点弯曲载荷时，由于两层板材的扩散衔接左近地位出现脱焊景象，导致曲线上载荷在此处忽然降落，与前述扩散界面处出现未齐全焊合区域对应。随着压头位移量的增长，脱焊面积越来越大，使得芯板部门不再受面板约束，结构更易产生愚笨失效，从而失去承载能力。将弯曲试验所得的载荷位移数据进行推算，获得各试验件的弯曲机能量化指标，如表1所示。结构高度一样时，形筋和双直立筋弯曲强度较高，M形筋和II形筋抗弯强度相对较弱。

表1 弯曲机能对比

Tab.1 Comparison of bending performance

3、结论

(1)TA15合金最佳超塑性变形温度为900℃，应变速度为1x10^-3s^-1，此时伸长率达到1340%。超塑变形后的微观组织观察批注，TA15合金超塑变形时断裂机造为韧性断裂,并出现出优良的塑性变形机能;随应变速度的降低和温度的升高,α相发成长大,同时β相含量增长,变形表态状态仍维持等轴状。

(2)双层中空结构在5400s时齐全贴模且成形齐全，壁厚在双直立筋圆角区域最幼，减薄率为57.5%；谟邢拊抡詹问蠸PF/DB成形试验，成功造备出拥有分歧几何状态加强筋的TA15钛合金双层中空结构，试验获得的壁厚散布与仿真了局最大误差仅为2.4%。

(3)进行双层中空结构三点弯曲测试,了局批注, w形筋(97.7 MPa)和双直立筋(100.8MPa)阐发出较高的弯曲强度，M形筋和II形筋相对较弱;试验过程的弯曲失效模式和粉碎地位与仿真了局根基吻合，验证了有限元模型的靠得住性。

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（注，原文标题：TA15钛合金双层中空结构SPF_DB成形机能及力学机能钻研_邢宇涵）