TA15钛合金的名义成分为Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V，由于参与了α不变元素Al、、、中性元素Zr以及β不变元素Mo和V，是一种高铝当量近α合金[1]。！！Ｒ蚨鳷A15既有α型钛合金优良的热强性和可焊性，又有靠近于α–β型钛合金的工艺塑性，最高使用温度可达到500℃[2]。！！Ｋ孀欧尚衅魉俣鹊牟恍萏嵘，对资料的机能和结构提出了更刻薄的要求，选取超塑成形/扩散衔接（SPF/DB）工艺制作航空部件在部门减重、、、精度节制、、、降低成本等方面有巨大的优势[3]。！！

近年来，国内外正在积极发展多层结构的钻研工作[4]，SPF/DB工艺可成形出飞行器上宽泛利用的大型、、、复杂、、、密封多层中空结构。！！Ｍ 石川等 [5]使用MSC.Marc对TA15四层板SPF/DB工艺进行了仿照仿 真，仿照了局和试验值高度吻合。！！ Salishchev等 [6]选取超细晶Ti–6Al– 4V钛合金在750~800℃下制备了 复杂的四层中空结构，直立筋成形质 量好、、、理论无显著缺点。！！ｃ屏亮恋 [7] 利用有限元仿真优化了TA15钛合 金四层结构SPF/DB工艺参数，获得 优良的扩散衔接界面，成功制备了 四层结构件。！！＠畋Ｓ赖 [8]对Ti60/ TA15异种合金四层结构舵面SPF/ DB进行钻研，选取三维扫描、、、组织 检测对四层结构的型面进行分析， 在920℃时异种资料之间的扩散连 接界面根基隐没且孔洞闭合。！！ee 等 [9]开发了有关软件对四层板结构 的SPF/DB过程进行仿照仿真分析， 并将仿真分析了局与试验成形后的 了局进行了对比分析，仿照了局和试 验了局较吻合。！！ 

目前针对TA15合金热加工过 程中微观组织的变动已经发展较多 工作。！！Ｕ磐娴 [10]通过理论和试验 发现，对于近α型钛合金通过等温变 形并建设合理的冷却可获得综合性 能优异的三态组织。！！Ｐ煳某嫉 [11]采 用热仿照压缩试验钻研了TA15钛 合金的动态热压缩行为及其机理。！！ 

本文通过调研发现，SPF/DB工 艺中厚度小于0.5mm的超薄板料研 究较少，且板料厚度极薄导致成形件 缺点概率更高，亟须合理的工艺参数 和严苛的精度节制。！！
；；诖，本文使 用厚度为0.5mm和0.4mm的TA15 轧板别离作为面板和芯板发展有限 元仿真，着重钻研四层中空超薄结 构SPF/DB过程的壁厚和应力散布 以及相应的微观组织演变法规，以期 为TA15钛合金超薄中空四层结构的 SPF/DB工业化利用提供理论参考。！！ 

1、、、试验及步骤 

1.1试验资料 

试验板材为宝钛集团提供的TA15轧制板，其化学成分见表1。！！  

1.2高温拉伸测试 

高温拉伸试验是检测资料超塑 机能和探寻资料超塑性变形工艺参 数的最佳步骤。！！８呶吕焓匝槭窃 CSS–8800型电子全能拉伸机上进行 （图1（a））
；；TA15钛合金单向拉伸 试样原始尺寸见图1（b）。！！ 高温拉伸选用的恒应变速度别离 为0.01s –1、、、0.005s –1、、、0.001s –1，试验温度 别离为880℃、、、900℃、、、920℃、、、940℃。！！ 拉伸试样在加热炉内加热到指定温 度后再保温5min，拉伸试样装炉之 前为了去除TA15理论的氧化层，需 用砂纸对试样打磨到800目，最后喷 涂高温抗氧化涂料Ti–1200玻璃防 护光滑剂来克制钛合金在高温拉伸 环境中氧化。！！ 

1.3微观组织观察 

通常来说，由于超塑成形过程中 资料要经历较长功夫的热露出和较 大的变形量，微观组织会产生扭转。！！ 因而针对SPF/DB前后的组织变动 和扩散衔接情况进行检测，以获得超 塑成形后的晶粒描摹和扩散衔接后 的焊合率，焊合率推算公式如式（1） 所示。！！Ｊ匝檠∪〗鹣嘞晕⒕岛蜕 电镜对SPF/DB后的组织特点及扩 散衔接的情况进行观察。！！

 L=(l₁–l₂)/l₁×100% （1） 

式中，L为焊合率
；；l1为检测区域成功 扩散衔接长度
；；l2为检测区域未扩散 衔接长度。！！ 

2、、、有限元仿真 

选取MSC.Marc对TA15钛合金板超薄中空四层结构超塑造成形过 程进行有限元仿照，该结构长和宽均 为400mm，压边宽度为48mm，成形 后的最大厚度≤0.9mm。！！Ｋ牟阒锌 结构三维描摹及部门放大区域如图 2（a）和（b）所示。！！Ｍ2（c）为中空 结构的内部描摹示意图，蓝色线区域 为扩散衔接天堑，扩散衔接区域宽度 为4mm。！！Ｋ牟阒锌战峁沟牧讲忝姘 厚度均为0.5mm，两层芯板厚度均 为0.4mm。！！ 

2.1前处置 

思考到四层中空结构拥有对称 性，因而只成立下侧作为限元模型的 推算域（一层面板、、、一层芯板）。！！Ｍ 过MSC.Marc的导入端口，把经过 Hypermesh处置后的模具、、、板料别离 导入。！！５ピ嘈脱∮盟慕诘愕木匦 壳单元，芯板和面板的总计单元及节 点数量别离为20000个、、、20402个。！！ 依照四层结构的制作工序，必要进行 两次热成形，首先对面板进行超塑气 胀，而后对芯板进行超塑成形。！！Ｍ3 为超薄中空四层结构面板、、、芯板先后 成形的示意图。！！ 

2.2资料个性 

超塑成形属于大变形，险些没有 回弹，因而资料变形模型选为刚塑性 模型。！！１竟狗匠套裱璓owerLaw准 则，即流动应力与应变和应变速度之 间的关系为
式中，σ为流变应力
；；ε.为应变速度
；；K 为资料常数
；；m为应变速度敏感指数。！！ 通过推算获得TA15钛合金在分歧温 度下的m值和K值，如表2所示。！！ 

图4为TA15钛合金高温拉伸 后的应力–应变曲线以及ε.=0.005s –1 对应的延长率。！！Ｆ揪堇畋Ｓ [12]对 TA15超塑性成形的有关钻研，获得 TA15钛合金最佳的超塑成形温度范 围在880~930℃之间。！！ 由于在整个成形过程中，高低模 具变形量可忽略不计，故界说接触体 时，模具界说为刚体，面板和芯板分 别界说为变形体1和变形体2。！！１ 形体和刚体的摩擦类型均选择双线 性库仑摩擦模型，刚体和变形体摩擦 系数设为0.2，两个变形体间的摩擦 系数设为0.22。！！６悦姘迩虺鼙 形部门施加均布的面载荷以仿照超 塑成形时的气压加载。！！Ｐ景謇┥⒘ 接区域和面板、、、芯板的模具压边部门 均设置为三轴固定约束。！！ 

2.3推算设置 

有限元推算设置为超塑性成 形压力节制，使用的气压领域为 0.0001~2.0MPa。！！Ｑ∪∽畲笥Ρ渌 率恒定法来加载成形气压，首先进行 面板成形，加载功夫设为2000s。！！Ｈ 后进行芯板成形，加载功夫同样设为 2000s，功夫步长选取多准则自适应。！！ 分析设置中，在非线性分析当选择 大应变，同时使用Mentat多区并行、、、 GPU来提升推算效能。！！ 

3、、、了局与会商 

3.1有限元仿真了局分析 

本文拔取920℃作为试验温度。！！ 如图3所示，首先，气压逐步加载到 2.5MPa后保压2h，面板超塑成形 的同时进行芯板的扩散衔接
；；而后 通过压力机作为压边圈，提供高压力 来充分扩散衔接其包覆区域，以保险 后续加压过程不会漏气
；；最后，先给 面板区域通气使面板胀形，面板齐全 贴：：笤俑景逋ㄆ，使芯板胀形， 最终实现超薄中空四层结组成形。！！ 

图5（a）为面板在胀形后得到 的厚度仿真了局，能够显著看出，面 板胀形实现后，板料在4个圆角减 薄最为严重，减薄率达到了18.6%。！！ 面板的中心区域减薄较小，这是因 为该区域最先贴模，坯料与模具之 间的摩擦力克制了该区的金属向其 他区域补充。！！Ｈ缤5（b）所示，面 板胀形的等效塑性应变散布很好地 印证了图5（a）所示的厚度减薄特 征。！！Ｍ5（c）和（d）别离为芯板超 塑成形后的厚度变动及等效塑性应 变云图，可知，区域1和区域3先于 区域2贴模，且圆角区域减薄极为 严重。！！ 

3.2特点地位厚度、、、应变、、、应力分析 

3.2.1面板变形分析 

为定量钻研面板超塑成形后的 厚度和应变演变法规，通过图6（a） 所示的丈量线进行数据图提取。！！Ｍ 6（b）为丈量线上厚度、、、等效应变数 值，显然在压边圈覆盖区域的面板厚 度根基不变，从压边区至圆角处厚度 迅速降落，而应变值的显著提升也证 明在圆角处变形量极大。！！４釉步堑 面板中心，厚度逐步增长至峰值，应 变值的散布法规正好与之相反。！！

由图6可知，丈量线上厚度变 化很崎岖，为精确钻研超塑成形过 程中面板的变形法规，在图6所示 的丈量线上取3个特点点作为钻研 对象。！！Ｈ缤7（a）所示，A为面板 中心地位
；；C为面板角部
；；B为角部 C与中心部A的中点。！！Ｍü崛3 个特点地位在整个超塑过程中的数 据，得到了整个加工过程中的厚度、、、 应力变动法规。！！Ｈ缤7（b）所示，A 点最先减薄，但最终变形量很少，减 薄率仅为2.6%
；；B点的减薄率较高， 约为5.4%
；；C点的减薄率最高，达到 18.6%，结合图7（c）发现，C点处 存在极为严重的应力集中。！！Ｍü 7（b）和（c），能够观察到当面板胀 形实现后，随着芯板胀形至面板地位 后，面板C点的厚度仍有小幅度的 减薄，减薄率约为2.8%，该过程伴随 着应力的忽然增大。！！ 

为了更直观地观察超塑成形过 程中面板厚度的整体变动行为，提取 面板在4个时刻的厚度散布数据绘 制云图，如图8所示。！！
？Ｄ芄环⑾置 板在胀形过程中存在部门增厚的微 小区域，如图8（b）所示的白色点 状区域。！！Ｏ匀，随着面板胀形的不休 进行，越晚贴模的地位板料厚度减薄 越严重，这些地位也更容易出现开裂 等缺点。！！ 

3.2.2芯板变形分析 

在图9（a）所示的丈量线上提 取各节点的厚度、、、应变值，得到图9 （b）所示的芯板厚度、、、应变变动法规 曲线。！！Ｓ捎谛景灞湫斡涤卸猿菩，因 此以提取蹊径的1/2作为钻研对象。！！ 由图9（b）可知，压边圈覆盖区域厚 度维持不变，芯板的厚度在3个区域 的中心地位时都处于峰值，随着远离 中心线厚度起头降低，最严重的地位 减薄率可达到35.7%。！！ 

在芯板上提取3个特点点A'、、、B'、、、 C'，如图10（a）所示，A'点为芯板区 域1的中心地位
；；B'点为区域1下方 邻近扩散衔接区域地位
；；C'点处于B' 点的右侧地位。！！Ｈ缤10（b）所示， 在面板胀形期间，芯板厚度根基不发 生变动，当芯板起头胀形后，B'点处 厚度降落最快，但减薄并不严重，减 薄率为32.3%
；；A'点处的减薄率最小， 仅为7.5%
；；C'点的减薄最为严重，减 薄率达到55.1%。！！Ｍü员韧10（c） 的应力变动，可知芯板胀形期间，C' 点处的应力值一向高于其他地位。！！ 

图11为芯板在4个时刻的最大 壁厚散布云图，发现芯板在SPF期 间有部门加厚的细小区域，如图11 （b）所示的白色区域。！！Ｓ朊姘逭托 类似，随着胀形的持续进行，越晚贴 模的地位板料变形更大、、、厚度更薄， 因而这些区域加载气压较大时容易 开裂。！！ 

3.3四层中空结构SPF/DB试验了局 

依照图12（a）所示的气压加压 方式，使用SPF/DB工艺成功制备了 TA15超薄四层中空结构，四层结构 实物如图12（b）和（c）所示。！！Ｋ苄 成形的四层空心结构理论质量优良 且无沟槽等缺点，板料充分贴膜，尺 寸精度节制较高。！！＠孟咔懈罱 件切分后，可观察到四层结构内部直 立筋结构。！！Ｖ绷⒔畛尚沃柿亢，面板 和芯板贴合缜密（图12（b））
；；面板/ 芯板三角区和网格筋条三角区空地 很小，三角区宽度仅为0.9mm（图 12（c））。！！ 

由于超薄构件极易出现开裂等 缺点，因而中空结构的精度节制主 要体现为厚度减薄节制。！！Ｋ炒伟稳 13个点进行壁厚丈量（图12（c））， 并与仿真了局进行对比。！！Ｍ13（a） 为面板试验与仿真的壁厚对比结 果，点1#~3#为压边区域，最大误 差为0.99%，点4#~11#为面板变形 区，最大误差为2.1%，证实了面板仿 真了局的靠得住性。！！Ｍ13（b）为芯 板试验与仿真的壁厚对比了局，点 1#~3#压边区域最大误差为1.9%
；； 点4#~11#芯板变形区最大误差达 到6.9%
；；点12#~13#为直立筋区域， 最大试验误差仅为3.8%，验证了芯 板仿真了局的正确性。！！ 

超薄四层中空结构在SPF/DB 过程中出现缺点，芯板直立筋扩散连 接的接头强度不及，造成芯板在胀形 过程扩散衔接区失效，以至芯板未能 成功胀形（图14（a））
；；芯板胀形中， 板料严重减薄区在应力集中的情况 下开裂，导致芯板气压不及而未能实 现成形到位（图14（b））
；；图14（c） 为有限元仿照的芯板厚度严重减薄 区存在的应力集中景象，仿照的应力 集中地位与试验开裂地位高度一致， 验证了该有限元仿照的精确水平。！！ 通过有限元仿照的缺点散布情况，不 断优化气压加载等工艺路线，最终提 高构件的制品率。！！

3.4TA15钛合金SPF/DB组织分析 

试验钛合金原始组织晶粒藐小 破碎且呈等轴状，α相相对较多，β相 相对较少，均匀晶粒尺寸小于5μm， 如图15（a）所示。！！Ｍ15（b）为超塑 成形后的微观组织图，由于超塑成形 功夫较长，钛合金组织经长功夫热暴 露，晶粒产生了显著长大，藐小α相 在高温作用下出现归并长大，破碎状 藐小α相显著削减。！！ 

图16（a）为芯板与面板扩散连 接SEM照片，芯板与面板贴合处全 部实现了扩散衔接，部门未贴合区域 是成形压力不够大和保压功夫不够 长造成的，进一步增大上述两个工艺 参数能够使扩散衔接面积进一步增 大，最终焊合率可达到92.1%~98.5% （焊合率≥90%为优良）。！！Ｍ16（b） 展示了直立筋之间的扩散衔接情况， 其均匀焊合率达到90%以上。！！ 

4、、、结论 

通过有限元仿真分析与成形试 验共同微观组织检测，钻研了TA15超薄四层中空结构的SPF/DB工艺， 得到以下结论。！！ 

（1）通过有限元仿照，获得壁厚、、、 应力的散布曲线以及气压加载曲线。！！ 发现面板的4个圆角减薄率最大，最 高可达18.6%。！！Ｐ景宓淖畲蠹醣∏ 在扩散衔接的直立筋形成的圆角附 近，最大减薄率达到55.1%。！！ 

（2）在面板、、、芯板厚度减薄最严 重的区域存在较大的应力集中。！！１ 壁结构件在超塑变形过程中，芯板厚 度减薄严重区域陪伴着极大的变形 行为，容易造成开裂以至芯板胀形失 效。！！Ｐ景逭托魏笥朊姘逯湫纬傻 三角区宽度为0.9mm。！！ 

（3）TA15钛合金板原始晶粒均匀 尺寸小于5μm，呈等轴状，超塑成形 后，钛合金晶粒显著长大且藐小α相 归并长大。！！８髑虻难沽釉厍疤岷 焊接功夫分歧，导致各区域焊合率不 同。！！Ｓ呕┥⑾谓庸ひ蘸，面板与芯 板之间的焊合率可为92.1%~98.5%， 直立筋的均匀焊合率达到90%以上。！！ 

参考文件

 [1]付明杰,许慧元,邵杰,等.TA15钛 合金板材单向拉伸超塑变形行为钻研[J].罕见 金属,2013,37(3):353–358. FUMingjie,XUHuiyuan,SHAOJie,etal.

SuperplasticdeformationbehaviorofTA15alloy sheetbysuperplastictension[J].ChineseJournalof RareMetals,2013,37(3):353–358. 

[2]崔霞,贾鹏程,杜海明,等.冷却速 率对TA15钛合金组织和机能的影响[J].失 效分析与预防,2016,11(4):208–211,217. 

CUIXia,JIAPengcheng,DUHaiming,et al.Inferenceofcoolingrateonmicrostructureand propertyofTA15titaniumalloy[J].FailureAnalysis andPrevention,2016,11(4):208–211,217. 

[3] HEFTILD.Innovationsinthe superplasticforminganddiffusionbonded process[J].JournalofMaterialsEngineeringand Performance,2008,17(2):178–182. 

[4]武永,周贤军,吴迪鹏,等.TC31钛 合金四层舵翼超塑成形/扩散衔接工艺钻研 [J].航空制作技术,2021,64(17):34–40. 

WUYong,ZHOUXianjun,WUDipeng,etal.Superplasticforminganddiffusionbonding processforfour-sheetairrudderofTC31titanium alloy[J].AeronauticalManufacturingTechnology, 2021,64(17):34–40. 

[5]王石川,童国权,袁继军,等.含预 置块的TA15钛合金四层板SPF/DB试验钻研 [J].罕见金属,2017,41(1):14–19.  

WANGShichuan,TONGGuoquan,YUAN Jijun,etal.Superplasticforming/diffusionbonding ofTA15four-sheetsandwichwithenhancement plates[J].ChineseJournalofRareMetals,2017, 41(1):14–19. 

[6]SALISHCHEVGA,GALEYEVRM, VALIAKHMETOVOR,etal.Highlysuperplastic Ti–6Al–4Vsheetforsuperplasticformingand diffusionbonding[J].MaterialsTechnology,2000, 15(2):133–135. 

[7]闫亮亮,童国权,刘剑超,等.TA15 四层板结构超塑成形/扩散衔接技术钻研[J]. 航空制作技术,2016,59(19):88–90,97.  

YANLiangliang,TONGGuoquan,LIU Jianchao,etal.Researchonsuperplasticforming/ diffusionbondingforfour-sheetstructureofTA15 titaninumalloy[J].AeronauticalManufacturing Technology,2016,59(19):88–90,97. 

[8] 李保永,刘伟,秦中环,等.Ti60/ TA15合金四层结构舵面超塑成形/扩散连 接技术钻研[J].航空制作技术,2019,62(8): 76–80. 

LIBaoyong,LIUWei,QINZhonghuan,et al.Researchonsuperplasticforming/diffusion bondingforfour-sheetstructurerudderofTi60/ TA15alloy[J].AeronauticalManufacturing Technology,2019,62(8):76–80. 

[9] LEEKS,HUHH.Simulationof superplasticforming/diffusionbondingwithfinite- elementanalysisusingtheconvectivecoordinate system[J].JournalofMaterialsProcessing Technology,1999,89–90:92–98. 

[10]张旺峰,李兴无,马济民,等.组 织类型对钛合金危险容限机能的影响及电 镜原位观察[J].航空资料学报,2006,26(3): 313–314. 

ZHANGWangfeng,LIXingwu,MAJimin, etal.Effectofmicrostructureondamagetolerance propertiesandSEMinsituobservationfortitanium alloy[J].JournalofAeronauticalMaterials,2006, 26(3):313–314. 

[11]徐文臣,单德彬,李春峰,等.TA15 钛合金的动态热压缩行为及其机理钻研[J].航 空资料学报,2005,25(4):10–15,19. 

XUWenchen,SHANDebin,LIChunfeng,et al.Studyonthedynamichotcompressionbehavior anddeformationmechanismofTA15titanium alloy[J].JournalofAeronauticalMaterials,2005, 25(4):10–15,19. 

[12] 李保永.TA15钛合金多层结构LBW/ SPF/DB工艺[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010. 

LIBaoyong.LBW/SPF/DBprocessingof multi-sheetstructureforTA15titaniumalloy[D]. Harbin:HarbinInstituteofTechnology,2010. 

通讯作者：：蒋少松，教授，博士，钻研方向为高 温钛合金、、、高强铝合金、、、耐热高强镁合金复杂 薄壁中空轻量化结组成形理论与技术。！！