Ti2AlNb合金板材的成形性能研究

李晓艳 司松社 陈明和

摘要：本文通过板材不同温度下的本构关系，板材在不同温度下的成形极限，板材在设定温度的不同应变速率条件下的成形性能参数的试验研究，评价Ti2AlNb合金板材的成形性能，为该材料不同钣金成形方式提供基础数据参考。

关键词：Ti2AlNb;O相;板材;成形

0  引言

Ti2AlNb合金是以有序正交结构的O相为主相的金属间化合物合金，具有较高的高温强度和抗蠕变性能，与镍基高温合金相比其密度较低，为一种新材料，被各国学者认定为最具潜力的航空航天用轻质高温结构材料。

由于该材料铸态组织粗大，室温塑性低，高温变形抗力大，对变形条件要求苛刻等原因，大大提高了其成形难度，使得对该材料的广泛应用存在很大挑战。目前专门针对Ti2AlNb合金板材成形方面的研究很少，而该材料的板材在航空发动机上的应用前景广泛，因此本文对该合金的板材的成形性能进行初步研究，以便于后续建立材料有限元模型，对成形零件进行有限元分析。

1  金属板料成形试验原理

1.1 板料极限拉深比试验（LDR）试验原理

板料的极限拉深比试验（LDR）是衡量板料拉深性能，国内又叫压延性能的重要试验。直接确定了拉深模具设计中的拉深系数。

1.2 扩孔试验原理

扩孔试验包括冲制试样圆孔和利用锥头凸模压入冲制圆孔两个步骤，即冲孔完毕后，锥头凸模压入冲制圆孔，直至圆孔在凸模作用下孔缘发生开裂，停止试验。

1.3 杯突试验原理

试验系用端部为球形的冲头，将夹紧的试样压入凹模内，直至出现穿透裂缝为止，所测最深的杯突深度即为试验结果。

1.4 弯曲试验原理

本试验采用系列具有不同底部弧面半径的凸模（或不同厚度的垫模），将试样按照规定的弯曲角成形后，检查其变形区外表面，将该表面不产生裂纹或显著凹陷时的最小相对弯曲半径作为金属薄板的弯曲成形性能指标。

1.5 翻边成形极限试验原理

本试验采用系列具有不同底部半径的凸模将预先开孔的试样进行翻边，以孔缘发生开裂时的最大翻边直径为极限翻边系数。

2  金属板料成形研究成果

2.1 板料在不同温度下的基本成形性能参数

2.1.1 工作内容

对Ti2AlNb板料进行了不同温度下的单向拉伸试验，获得材料不同温度下的应变硬化指数n及厚向各向异性系数r，应变速率为0.01s-1。

2.1.2 阶段成果

应变速率为0.01s-1，不同试验温度成形性能参数如表1所示。

2.1.3 小结

通过试验研究了Ti2AlNb板料在应变速率0.01S-1条件下不同温度的应变硬化指数n，厚向异性系数r以及均匀延伸率δ，试验结果表明750℃以上，材料的延伸率得到较大提高，塑性得以改善。材料应变硬化指数n及厚向异性系数r均随温度升高而降低。

2.2 板料在不同温度下的成形极限

2.2.1 工作内容

通过试验研究了温度点为600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃下材料的翻边成形极限、擴孔成形极限、杯突成形极限、拉深成形极限、弯曲成形极限等。给出材料在不同温度下的不同模拟成形性能的成形极限参数。

2.2.2 阶段成果

①板料不同温度下的翻边成形极限。针对板料翻边系数试验可得出材料在600℃下的翻边极限很小，仅为1.1，几乎无法翻边，而在900℃时则达到了2.0塑性得到很大提高。

②板料不同温度下的扩孔成形极限。通过试验可得出材料在不同温度下的扩孔试验结果显示温度从600℃升至900℃时，材料的平均扩孔率分别为0.122、0.211、0.217、0.378、0.524、0.684、0.820。温度750℃以上时迅速得到提高，因此扩孔温度应该控制在750℃以上。

③板料在不同温度下的杯突成形极限。通过不同温度下的杯突试验可得出材料在600℃的杯突仅为7.21很小，与室温下的成形极限差别较小。而在900℃时则达到了17.85提高了两倍，塑性得到很大提高。

④板料在不同温度下拉深成形极限。通过试验可得出材料在不同温度下的拉深试验结果显示温度在低于750℃时，材料的平均极限拉深比低于1.6几乎无法拉深，而温度超过800℃后明显提高，850℃达到了2.0，与铝合金的室温拉深比相近。因此此材料的拉深成形应在温度850℃以上比较合适。

⑤板料在不同温度下的弯曲成形极限。由弯曲试验可得出，材料的最小弯曲半径随着温度的升高逐渐减小，在900℃时达到了0.3mm，达到了大部分钣金零件的最小弯曲半径要求。

2.2.3 小结

通过试验研究了不同温度下Ti2AlNb板料的翻边、扩孔、杯突、拉深、弯曲等模拟成形性能的成形极限参数。结果表明Ti2AlNb板料在750℃以下时各成形极限均较差，800℃以上明显转好，因此该材料的塑性成形温度不宜低于800℃。

2.3 板料在设定温度的不同应变速率条件下的基本成形性能参数

2.3.1 工作内容

研究了板料在设定温度的不同应变速率条件下的基本成形性能参数。设定温度点为600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃，每个温度点三个应变速率，每个试样点3个试样。

2.3.2 阶段成果

材料在不同温度下的应变硬化指数n。

材料在不同温度和应变速率下的厚向异性系数r。

材料在不同温度和应变速率下的延伸率δ。

2.3.3 小结

试验结果表明材料成形温度和应变速率对塑性均有明显影响，应变速率越大，塑性越差;温度越高，塑性越好。一般在温度800℃以上，应变速率10-3s-1条件成形较好。

3  研究结论

通过系统的拉伸试验，模拟成形性能试验等，针对Ti2AlNb合金板材的成形性能进行了初步研究，结果表明Ti2AlNb合金板料在800℃以下性能较差，延伸率不到10%，超过850℃后塑性明显提高，所以得出Ti2AlNb合金板材成形温度应选在850～950℃之间。

参考文献：

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[2]罗佳，孙亮.成形轨迹对板材渐进成形结果的影响与研究[J].内燃机与配件，2019（23）：109-110.

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