近年来，我国高新技术领域迅猛发展，航空航天、海洋工程、石油化工及兵器设备等高端领域结构件正向轻量化、高强化、高靠得住性和耐久性等极端服役机能发展，钛合金因其比强度高、耐蚀性好、耐高温、抗委顿等优异机能，成为高端设备的优选结构资料。高端设备通常由状态、尺寸各别的若干个零部件组成，这些零部件的尺寸精度及机能直接影响设备整体的靠得住性及安全性［1 － 6］，这就对零部件的成形技术及尺寸精度提出了更高的要求。

钛合金属于难变形合金，成形加工难题，出格是 α-Ti 的晶体结构为密排六方结构，拥有较大的致密度和配位数，晶胞中的原子分列缜密，滑移系少，滑移过程的空间位向少，位错活动的阻力较大［7］，塑性差，成形过程中的抗力较大，故成形尺寸精度不高。此外，钛合金热熔小、导热性差，也导致其热加工窗口狭小。因而，为了制备满足高端设备要 求的各类状态的钛合金产品，就必须选择与钛合金加工个性相适应的冷、热成形加工技术。

西北有色金属钻研院钛合金钻研所持久致力于钛合金资料及有关加工技术钻研，开发出了一系列适合分歧状态、规格的钛合金零部件产品加工技术。

本文重要介绍冷冲压成形技术、超塑成形技术、旋压成形技术、热推制成形技术、热模锻成形技术的特点及其在钛合金成形中的利用，以期为推动我国钛合金成形技术的进取提供参考。

1、冷冲压成形技术

冷冲压成形是在常温下利用冲压设备和模具，使各类分歧规格的板料在压力作用下变形成所需状态的一种加工工艺。资料的冷冲压成形性与资料个性有关，通常要求资料拥有优良的机械机能、较大的变形能力以及梦想的金相组织，其中，机械机能蕴含了资料的屈服强度、抗拉强度、延长率、硬度、塑性应变比 r 等参数。

较高的屈服强度和抗拉强度会使资料的冲压成形抗力增长，成形难度增大，模具寿命降低。此外，高的屈服强度还会使零件成形实现脱：：蟮幕氐龃，尺寸精度降低，而高延长率资料的成形极限较大，有利于冲压成形。通常金属资料的冷冲压成形必要分屡次能力达到最终的产品状态，加工过程中会出现硬化景象。这种景象源于资料在接受肯定塑性变形后持续施加载荷使变形抗力增长以匹敌塑性变形的再产生，较高的加工硬化系数意味着资料持续加工会克制部门变形，并造成硬化，导致塑性降低而不易加工。但较低加工硬化系数的资料在持续加工时会引起部门变形增大而导致幽微区域开裂，因而拉伸成形必要资料拥有相宜的加工硬化系数 n。

资料的塑性应变比 r 是表征资料各项异性的参数，重要影响拉伸机能，较高的 r 值注明资料的各向异性不显著。综上，优良的冲压成形性对资料的机能要求是拥有低的屈强比、高的延长率、适当的加工硬化系数 n 和较高的塑性应变比 r。

表 1 列出了几种金属资料与拉伸成形机能有关的参数［8～ 10］。由表 1 能够看出，钛的拉伸成形机能较其他金属差，因而其冷加工成形越发难题。

钛合金板材在室温下的可成形性极度有限，其室温力学机能和微观组织阐发出的流线都拥有显著的各向异性，成形过程中容易产生缺点［11］。因而，冷成形技术仅适合于钛合金薄板的加工。自 20 世纪90 年代，西北有色金属钻研院钛合金钻研所针对用户需要发展了钛金属隔阂成形技术钻研，并凭据钛合金资料的机能特点设计开发出了一种适合深拉成形的 高 塑 性、低 屈 服 强 度 的 隔 膜 专 用 钛 合 金 板材［12］。针对钛合金屈强比高、资料回弹大的特点，钻研人员通过模具设计及成形工艺参数的优化开发出了低速度拉伸成形工艺、分步屡次成形技术以及机加工与冲压相结合成形技术［13 － 15］，成功制备出了规格在 180 mL ～ 70 L 领域内的十几种高精度变壁厚钛翻转隔阂、Ti-15-3 合金球形高压气瓶［16］、箔材三维空间结构翅片等产品，有效预防了回弹造成的尺寸 精度差、资料各向异性导致的周向变形不均及参数节制不当造成的制耳、起皱、开裂等景象，满足了国防重点工程亟需。图 1 为西北有色金属钻研院钛合金钻研所选取冷冲压成形技术制备的钛合金产品。

2、超塑成形技术

2. 1超塑成形技术的特点

超塑成形是利用金属资料在肯定温度及应变速度下所出现的超塑性( 拥有超塑性的资料能伸长若干倍而不出现缩颈和断裂) ，将坯料加工成所需尺寸和状态的工艺。通常，超塑成形是在密封前提下，通过向钛合金板材一侧或两侧施加气体成形压力，依附板材 的 减 薄 获 得 与 模 具 型 腔 相 近 的 结 构 件 外形［17］。超塑成形工艺拥有成形性好、变形量大、尺寸精度高、理论质量好、无残存应力、削减零件加工数量等利益，不易出现板材在传统成形过程中出现的回弹、分裂等景象［18］，在减轻飞行器结构重量、降低出产成本方面显示出极大的优越性。

2. 2超塑性分类及成形前提

凭据实现超塑性的前提，超塑性重要分为相变超塑性和组织超塑性。相变超塑性又称为动态超塑性或环境超塑性，是指资料在肯定温度和外加载荷前提下，经屡次循环相变或同素异构转变获得大的延长率。而本文所涉及的超塑成形重要为组织超塑性。

实现组织超塑性通常必要满足组织前提、应变速度前提和温度前提。( 1) 组织前提:组织细化，即要求轻微晶粒，尺寸通常小于 10 μm。晶粒等轴化有利于在切应力作用下产生晶界滑移或动弹。大角度晶界在切应力作用下很容易产生晶界滑动，因而基体晶界应为大角度晶界。晶界迁徙能够使应力集中松弛，有利于维持变形中晶粒的等轴性。超塑性合金中最好有第二相存在，这样有利于在变形过程中克制基体晶粒的长大，但第二相的强度和硬度该当与基体资料处于统一量级，以预防变形过程中两相界面产生浮泛而过早断裂。( 2) 应变速度前提:分歧的资料有分歧的应变速度 ε 与应变速度敏感性指数 m、流动应力 σ 的关系曲线，必要选择最佳应变速度，通常在 10－ 4～ 10－ 2 s－ 1 领域内，远低于通例

变形，肯定水平上使超塑成形的出产效能和利用受到限度。( 3) 温度前提:通常要求成形温度不小于0. 5Tm( Tm为资料熔点) 。

除以上 2 种超塑性外，金属资料在再结晶或组织转变时，显微组织在不不变的状态下会天生等轴超细晶，此时在短功夫内急剧施加外力，也会阐发出超塑性。有些资料在退火状态下产生超塑性，有些资料在大电流作用下产生超塑性［19］。

2. 3超塑成形技术发展及利用

从 20 世纪 60 年代起头，受高机能战斗机需要推动，国外航空工业率先发展超塑成形技术钻研，超塑性及其利用钻研也进入了急剧发展时期。70 年代早期，美国 Ｒockwell 公司利用超塑成形技术制作了状态复杂的 F-15 战斗机钛合金整体骨架结构，使钛合金制作工艺产生了技术刷新。随后，美国的BLATS 打算将钛合金超塑成形/扩散衔接( SPF/DB)

组合技术列为重点钻研项目，制作了 B-1B 战术轰炸机的短舱框架、辅助动力舱门等重要构件，不仅大幅降低了成本，还显著提高了成形效能。随后钻研人员开发了超塑性铸造技术，该技术相比用 SPF/DB技术零件数量更少，重要用于国防工业。民用方面，选取等温铸造技术制成了人造心脏瓣膜、人为髋关节、高尔夫棒等精密零件。

西北有色金属钻研院钛合金钻研所自 20 世纪 80年代起头进行钛合金超塑成形技术的索求钻研，并制备出用于制作飞行数据纪录仪( 黑匣子) 的 Ti-451合金超塑成形壳体( 图 2a) ［20］，产品通过了飞机适航条款所划定的高强度冲击、高温烧蚀等严格测试。

此外，还利用厚壁管坯吹胀成形工艺制备出整体无焊缝型 TC4 钛合金高压气瓶( 图 2b) 。

进入 21 世纪，西北有色金属钻研院钛合金钻研所又承担了多项超塑成形钛合金的钻研项目，合金种类蕴含 TC4、SP700 和 TA15 等，先后研制出了满足机能指标要求的超细晶 TA15 和 SP700 钛合金板材，其晶 粒 尺 寸 小 于 3 μm，超 塑 性 延 伸 率 大 于2000% ，并选取超塑成形/扩散衔接技术制备出了航空用有关产品［21 － 25］。图 3 为 SP700 钛合金的超细晶组织、超塑拉伸试样及产品外观。

3、旋压成形技术

旋压成形是一项传统成形工艺，该工艺拥有变形力小、节约原资料等特点。近年来，随着机电一体化节制、高精度实时丈量及大数据人为智能技术的引入，旋压成形技术与设备得到了长足的发展，并已经成为金属压力加工的重要步骤。目前旋压设备正向着系列化和尺度化方向发展。在很多工业蓬勃国度，旋压设备的尺度化水平很高，旋压成形工艺不变，产品多种多样，利用领域日益宽泛。

圆筒形件的强力旋压变形过程中，始终遵循着体积不变的准则，工件状态的扭转蕴含旋压前后圆筒壁厚减薄、直径变小、长度增长等，同时产品内径也会因工艺参数的分歧而扭转。最终产品身分为圆筒内外径、壁厚、长度、直线度、圆度等，产品长度可用式( 1) 推算［26］。

式中: L1 为工件长度;L0 为毛坯长度;S0 为毛坯厚度; S1 为工件厚度; d1 为工件内径。

由于钛合金的冷旋压变形能力较低，尤其是高强钛合金，在旋压加工过程中必要对加工部位进行部门加热( 加热方式蕴含火焰加热和感应加热) 。20世纪 80 年代，西北有色金属钻研院钛合金钻研所选取部门加热强力旋压工艺制备出圆柱形 Ti-451 合金罐体［27］，如图 4 所示。该罐体规格为 φ130 mm ×1. 2 mm × 160 mm，爆破压力达到 16 MPa，通过了极限爆破压力和耐久机能查核。

利用户需要，西北有色金属钻研院钛合金钻研所发展了钛合金波纹管的研制。选取滚珠旋压加工技术制备出极薄壁 CT20 钛合金管材，其壁厚仅为管径的 1 /600 ～ 1 /200，并以其为坯料成功制备出多层结构波纹管，如图 5 所示。

4、热推制成形技术

热推制成形是环管和弯头产品常用的成形步骤，它选取专用弯头推制机、弯头成形芯棒和感应线圈加热装置，使套在模具上的坯料管在推制机的推动下向前活动，进行加热、扩径并弯曲成形的过程。

这种成形方式预防了传统弯管工艺在弯管成形时，因管壁凸边受拉减薄、管壁凹边受压增厚而造成的弯管壁厚不均匀的景象，这对于航空航天用高承压容器制备拥有重要的意思。

在弯头成形过程中，弯头芯棒是不成短缺的成形模具。通过合理设计成形芯棒，可使弯头内外侧变形均匀，获得较好的壁厚均匀性。西北有色金属钻研院钛合金钻研地点开发某航天用钛环形气瓶内衬过程中，针对所设计的环管进行了有限元数值仿照［28］。图 6a、6b 别离为选取有限元仿照的环管成形过程中的应力、应变云图［28］。仿照了局批注，环

管成形过程中应力应变比力均匀。图 7a 为制备的TA2 钛环形气瓶内衬，其管径为 36 mm，外环直径为 260 mm，各项技术指标均达到设计要求。选取该技术同时制备了 TA15 钛合金大规格环形高压气瓶，如图 7b 所示。该气瓶管径为 100 mm，外环直径为700 mm，爆破压力达到 70 MPa。

5、热模锻成形技术

热模锻是钛合金加工成形的常用步骤之一，该步骤充分利用钛合金高温下贱变应力低、易于成形的个性，将其加工成各类状态的产品。与等温模锻相比，热模锻的成本更低，出产效能也更高Ｆ鹜啡饶６颓，必要进行模具设计、坯料筹备及热模锻工艺参数简直定。若是按传统方式通过经验进行确定，往往不够精确。而选取数值仿照步骤能够在加工成形前发现模具和工艺设计中可能存在的问题，通过优化工艺参数提高产品质量，预防人力、物力和功夫的浪费。

例如某锥形体由一种新型钛合金制备，由于不足该合金的加工成形经验，利用有限元软件对其热模锻过程进行数值仿照，并对了局进行分析。图 8为锥形体热模锻的几何模型示意图［29］。

资料成形过程极度复杂，为简化仿照过程，能够进行一些如果，如不计资料的弹性变形，资料齐全均质且各向同性，体积不成压缩，变形流动遵从Levy-Misses 流动道理。热模锻过程的数值仿照了局批注，在锥体成形过程中，塑性变形不均匀，尤其是当变形进入最后阶段，坯料变形部门与下模齐全贴合，此时再持续施加变形时，资料将产生不均匀减薄。因而，在模具设计时要把稳下压限位装置的设置。图 9 为热模锻成形的大规格钛合金锥形体。

6、结语

西北有色金属钻研院经过多年技术攻关，针对特殊的利用需要，设计并开发出了适合钛合金板、棒、管等加工的多项成形技术，制备出了分歧状态、规格及种类的钛合金复杂零部件，满足了多项国防重点工程对钛合金深加工产品的亟需，同时也推动了钛合金成形技术的进取。

目前，钛合金成形技术虽已进入工程利用阶段，并展示出巨大的技术经济效益，但仍以航空航天等工业为主，利用领域有肯定的局限性。若是要宽泛拓展钛合金的利用领域，必须大幅度提高钛合金成形加工的效能并降低其成本。将传统加工成形工艺与目前蓬勃发展的大数据人为智能及数值仿照预测等新技术进行深度融合，是推动技术进取的有效伎俩，也将是钛合金成形技术的发展方向。

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