高强钛合金板材的室温成形性

钛板材因其强度高、重量轻、结构刚性好等优点而受到广泛的认可。高强钛合金Ti—6Al—4V不仅可用于航空领域，也是汽车、化工等其它工业领域用结构件的重要候选材料。Ti—6Al—4V合金板材在室温下的可成形性非常有限，成形后的回弹很大，这给传统的冲压和压力成形带来很多问题。尽管高温下，Ti—6Al—4V合金板材的成形极限会有所提高，回弹会减小，但室温成形在节约成本方面还是具有很大的优势。轧制成形是一种利用旋转的轧辊使金属坯料逐步变形而制成工件的成形方法，适合成形强度高且可成形性有限的结构件，被越来越多的应用在汽车工业中，主要用于成形超高强度钢、高强度钢等。由于轧制成形过程中，材料的回弹角小并且可通过简单易行的方法进行回弹补偿，因此，轧制成形是Ti—6Al—4V合金板材室温成形的一种有效方法。为此，Ossama等对经820℃退火处理后的2mm厚高强Ti—6Al—4V合金板材在室温下的成形及回弹行为进行了实验室研究。
实验选用的Ti—6Al—4V合金板材的原始组织由93.86%的等轴α相和6.14%的β相组成，平均晶粒尺寸为1.3μm±0.7μm。室温拉伸测试结果表明，其各向异性较大，与轧制方向成45°方向时，试样的屈服强度最低，延伸率较高，且当达到极限强度时，试样会很快发生断裂。成形极限测试试验在装有半球状冲头的设备上完成，半球冲头的直径为60mm。采用装有4个先进CCD相机的光学应变测量系统“AutogridVario”来记录每个试样完整的变形历史。通过设计不同的试样形状来测试不同应变路径的变形行为。实验发现，所有的试样均在半球冲头的顶部突然发生断裂，断裂前没有明显的颈缩现象，说明该合金的室温成形性是非常有限的。对比分析了Ti—6Al—4V合金板材室温弯曲和轧制成形时的变形行为。结果表明，摆锤折叠弯曲试验和V型模弯曲试验的最小弯曲半径为9mm，而轧制成形的最小弯曲半径为7.51mm，提高了15%以上。轧制成形可以成形更小的半径尺寸且比简单的弯曲成形回弹更小。这主要是由于轧制成形是一个多工步的累积变形过程，逐步多次变形可以抑制裂纹的长大，同时使材料的变形比普通的一次变形更加充分。另外，在高强钢轧制过程中经常出现的形状缺陷在Ti—6Al—4V合金轧制成形过程中相对较少。可见，轧制成形是室温成形航空及汽车结构件用高强钛合金板材的很有潜力的工艺方案。