持续电流作用下金属间化合物NiAl薄板热弯成形

刘屹巍，王重阳

持续电流作用下金属间化合物NiAl薄板热弯成形

刘屹巍1，王重阳2

（1.空军装备部驻大连地区军事代表室，辽宁 大连 116000；2.哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨 150001）

为了解决和克服现有耐高温金属间化合物成形难、传统等温热成形效率和能源利用率低的问题，开发持续电流作用下金属间化合物薄板热弯成形新技术。首先，对NiAl板材进行系统的升温实验，确定热弯成形的电流密度。然后对NiAl板材进行三点弯曲实验，确定凸模下压速度。最后，在自行设计并制作的可实现电与载荷持续复合作用的热弯成形装置和陶瓷绝缘模具上对板材进行热弯成形实验。在电流密度为8.5 A/mm2、加热温度为1 300 ℃、凸模下压速度为0.5 mm/min的实验条件下，成形后的热弯件尺寸精度良好、厚度均匀，无开裂和回弹产生。该方法主要针对热弯曲成形工艺，解决了金属间化合物难变形及传统脉冲电流辅助热成形难以在变形过程中持续通电的问题，改善了金属间化合物成形时产生的开裂和回弹。

金属间化合物；镍铝；脉冲电流；热成形

新一代高推重比航空航天发动机热端部件对超高温结构材料性能要求十分苛刻，具有优良高温性能和低密度的金属间化合物被广泛关注[1-2]。与传统金属相比，金属间化合物中既有金属键，又有共价键，共价键的存在增强了原子间的结合力，使得材料内部的化学键十分稳定，因此，金属间化合物具有熔点高、耐磨性好、抗氧化能力和耐腐蚀能力强等优点，在航空航天等国防技术领域具有十分广泛的应用前景[3-6]。

金属间化合物，如镍铝、钛铝、铌硅、铌钨等具有较高的高温强度，高温变形抗力较大，成形困难[7-12]。在金属间化合物板材成形前，通常将板材放入加热炉内加热到成形温度后，再对其进行热成形加工。然而传统的板材热成形设备比较复杂，包括热成形模具、压力载荷平台和加热炉等，还涉及到板材加热后转移过程所需的设备，十分占用空间。该过程不仅系统庞杂、操作难度大，而且有加热效率低、能耗大、转移板材过程中热量损失严重等缺点[13-15]。另外，还存在所需加热时间较长，以及容易发生板材内部晶粒显著长大、材料力学性能下降明显、表面氧化严重等缺陷。

脉冲电流辅助加热系统具有可持续通电、加热迅速、占地较少、节能环保、热量损失小、组织性能好、氧化少及可实现自动化等优点。近年来，随着新材料、新工艺研究不断地深入发展，特别是高密度脉冲电流在材料制备及加工过程中的应用越来越受到重视，脉冲电流辅助热成形技术被广泛应用在热冲压、锻造等领域[16-21]。杨以鹏[22]研究了不同曲率半径TC4圆弧件的自阻加热拉压复合成形工艺，证实了成形工艺的可行性。肖寒等[23]利用自阻加热成形装置进行了5A90 Al-Li合金桁条零件的成形实验，结果表明，室温下成形的零件表面有裂纹，而利用脉冲电流将合金加热到340 ℃后成形的零件质量良好、成形时间短、能耗低，极大地提高了成形效率。而且设计的新型电流自阻加热成形装置能有效克服绝缘和板材夹持问题，并易于实现自动化。Yanagimoto等[24]采用电流加热方法对板材进行了热轧制成形，加热速度快且能耗低，成形后的零件质量良好。Mori等[25]采用自阻加热的方法，研究了高强钢板SPF590Y、780Y的高温弯曲工艺，提高了成形效率，并解决了回弹问题。

大多数电流辅助成形都是将材料加热到成形温度后断电，再进行成形。在成形过程中，材料温度会逐渐下降，导致板材成形困难，出现开裂情况，回弹也比较明显。文中设计并制作了热弯成形装置和陶瓷绝缘模具，采用成形过程中电与载荷持续复合作用的新方法，对NiAl板材进行热弯成形实验，以获得尺寸精度良好的热弯件，并解决金属间化合物常规热弯成形开裂和回弹的问题。

1 实验材料与方法

利用电流的焦耳热效应能实现金属板材的快速升温，可迅速达到成形温度、降低能耗、有效减少板材表面氧化，采用自阻加热成形零件的方法能实现快速加热成形，从而缩短成形周期，简化实验装置。在NiAl板材电流自阻加热弯曲实验之前，对板材坯料进行电加热升温实验，用以确定较为合适的升温保温电流参数，确保迅速有效地达到板材弯曲温度。电流自阻加热升温实验装置如图1所示，其由高频开关电源、紫铜电路、柔性夹持装置、红外测温摄像头和电脑等组成，加热过程的温度数据可以被实时记录下来。实验所用NiAl板材是通过线切割在粉末冶金方法自制的NiAl块体上切割获得的，升温实验所用NiAl板材尺寸为95 mm×9 mm×4 mm，如图2所示。

图1 电流加热升温实验装置

图2 电流加热NiAl板材

为了得到NiAl板材在热弯曲实验的凸模下压速率，在AG-X Plus 250 kN电子万能实验机（图3）上对NiAl板材进行高温下的三点弯曲实验。实验温度为1 000 ℃，压头加载速率分别为0.5、0.7 mm/min。

热弯曲实验中所用NiAl板材尺寸为55 mm× 15 mm×1 mm。实验所用脉冲电流辅助热弯实验装置如图4所示，装置由载荷平台、紫铜电路、陶瓷凸模、陶瓷凹模等构成。该装置的设计创新点：通过陶瓷凸模、陶瓷凹模来实现电路与载荷平台的绝缘，位于两侧的电极可以连接紫铜电路。

图3 AG‒X Plus 250 kN电子万能实验机

将模具安装在热成形压力机上，将NiAl板材放在凹模上，加载电流前，凸模先对NiAl板材施加一定载荷以保证板材贴合电极，避免在电流加热板材时造成板材与电极接触不良而产生加热不均或无法加热等现象。然后接通电路，将板材加热至成形温度，凸模下压，当板材和凹模贴合后，保压30 s，减小电流，凸模上升，成形过程结束。整个成形过程中，要保持电路持续通电，以保证板材一直处于高温状态，便于热弯曲成形。当压力机的压头抬起后，随着温度下降，热弯件和模具之间由于热膨胀系数差异会自动分离。

2 结果与讨论

2.1 升温实验过程

图5a—c是NiAl板材从通电到升温至成形温度的整个过程。从图中可以看出，通入电流后，板材中间部位升温最快，然后两端开始升温，最后整个板材达到同样的温度。这是因为实验中的夹持装置材质是不锈钢，和板材的导热系数不同，使局部温度较低，因此会大大降低板材两端的温度，导致中间部位升温快，两端升温慢。对比传统加热方式，电流辅助加热可以实现材料温度迅速升高到指定温度。

图4 脉冲电流辅助热弯实验装置

图5 NiAl板材电流辅助加热升温过程

2.2 电流密度对平衡温度和升温速度的影响

实验采用连接有铂铑热电偶的三通道测温仪器，在升温过程中每隔10 s测量一次板材的实时温度，误差不超过±10 ℃。实验设置了4种不同大小的电流密度，分别是6、8、8.5、10 A/mm2，不同电流密度下达到的平衡温度及达到平衡温度所需的时间如表1所示。

表1 不同电流密度下的平衡温度及达到平衡温度所需时间

Tab.1 The equilibrium temperature and the time to reach the equilibrium temperature at different current densities

从表1可以看出，当电流密度为6 A/mm2时，升温速率较慢，且温度不能达到成形温度。当电流密度为10 A/mm2时，升温极其迅速，容易产生局部急剧升温，达到NiAl金属间化合物的熔点而发生熔断，也容易超过测温仪器量程而损坏仪器。综上分析可以得出，电流密度为8.5 A/mm2左右是最合适的电流密度，且能达到后续电流加热辅助成形所需温度（1 300 ℃）。

2.3 凸模位移速率对成形的影响

在热弯曲成形前，先对NiAl板材进行高温三点弯曲实验，实验后得到的力-位移曲线如图6所示。可以看出，当凸模位移速率为0.5 mm/min时，材料的最大位移为1.45 mm，计算后的弯曲强度为650.6 MPa；当凸模位移速率为0.7 mm/min时，材料的最大位移为1.24 mm，计算后的弯曲强度为664.4 MPa。由此可见，0.5 mm/min为合理的凸模位移速率。

图6 不同位移速率下的力-位移曲线

2.4 热弯成形过程

对于金属间化合物，成形困难是限制其应用的主要因素。NiAl金属间化合物的成形温度高达1 250～ 1 350 ℃，实验采用成形过程中持续通电的新技术，设置电流密度为8.5 A/mm2，在温度为1 300℃、凸模位移速率为0.5 mm/min的条件下对NiAl金属间化合物板材进行热弯成形，其成形过程如图7所示。随着加热时间的增加，板材温度持续升高，当板材温度达到预定加热温度后进行热弯曲成形实验。成形后零件如图8所示，成形后的热弯件尺寸精度良好、厚度均匀，无开裂和回弹产生。

图7 NiAl板材热弯成形过程

图8 NiAl板材热弯成形件

3 结论

1）研究了NiAl金属间化合物板材的持续电加热升温规律，通过比较4组不同大小的电流密度对平衡温度和升温速度的影响规律，热弯实验确定选择的电流密度为8.5 A/mm2。

2）进行了NiAl金属间化合物板材高温三点弯曲实验，确定了合适的凸模位移速率为0.5 mm/min。

3）开发了一种金属间化合物的电流辅助热弯成形装置及其成形方法，通过在成形过程中持续通入电流的热成形新方法，保证了板材的成形温度。在电流密度8.5 A/mm2、成形温度1 300 ℃、凸模位移速率0.5 mm/min的条件下，对NiAl板材进行热弯成形，成形后的热弯件尺寸精度良好、厚度均匀，无开裂和回弹产生。

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Thermal Bending of Intermetallic Compounds NiAl Sheet with Continuous Current

LIU Yi-wei1, WANG Chong-yang2

(1. Representative Office of the Air Force Equipment Department in Dalian, Liaoning Dalian 116000, China; 2. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The work aimsto solve and overcome the difficulties in forming of the existing high temperature resistant intermetallic compounds, and the low efficiency in the traditional isothermal forming and the underutilization of energy in the process, a new technology of continuous current thermal bending for intermetallic compounds sheet is developed. Firstly, with temperature experiments performed systematically for NiAlsheets, the current density of thermal bending is determined. And then, three point bending tests of NiAl sheets are made to identify the punch press speed. Finally, thermal bending experiments are carried out on a self-designed and manufactured thermal bending device and ceramic insulating mold that can combine current with load continuously. Under the experimental conditions of current density of 8.5 A/mm2, heating temperature of 1 300 ℃ and punch pressing speed of 0.5 mm/min, the thermal bending parts after forming are obtained with good dimensional precision, uniform thickness, and no cracking or springback. This approach is aimed specifically at thermal bending, difficulties in the intermetallic compounds deformation are greatly reduced. The problem that the traditional pulsed current assisted thermal forming is difficult to sustain power in the deformation process is also addressed, and cracking and springback are eventually avoided.

intermetallic compounds; NiAl; pulse current; thermal bending

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.12.015

TG306

A

1674-6457(2022)12-0140-06

2022‒01‒10

国家自然科学基金（52175297）

刘屹巍（1984—），男，硕士，工程师，主要研究方向为航空钣金工艺、钛合金零件的扩散连接/超塑成形和热成形。

王重阳（1982—），女，硕士，工程师，主要研究方向为先进材料热成形。