【正文】 uce the optimal process plan.Primary work and results as follows:1. On the basis of the deep research of Ushaped panel with ribs deforming mechanism, Build up the threedimensional finite element model of typical Ushaped titanium alloy panel with ribs and the numerical simulation analyzes the distribution of stress and strain. The results show that the main defects of Ushaped panel with ribs are excessive thinning in stiffener nose apex region, this is the key aspect affecting the product quality。 when the part forming, the friction coefficient of the four stiffener nose apex regions should be bigger,while the other should be smaller.4. Obtain the timeaerodynamic pressure curve under the best strain speed using the MARC2022 software39。鈦是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，20 世紀(jì) 50～60 年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70 年代開(kāi)發(fā)出一批耐蝕鈦合金和形狀記憶合金，80年代以來(lái)，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展 [1]。用鈦合金制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片，可以顯著的提高制件質(zhì)量。因此，提高相應(yīng)的成形技術(shù)和制造水平具有重大意義。近年來(lái)，人們借助飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在鈦合金板材的加工工藝優(yōu)化、成形缺陷的預(yù)測(cè)、成形過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制等方面做了大量工作。對(duì)一般所說(shuō)的組織超塑性而言，要具備這種超塑性的特定條件是晶粒細(xì)小、等軸、變形溫度為（～）Tm（Tm:材料熔點(diǎn)溫度）以及較低的應(yīng)變速率等。它是目前國(guó)內(nèi)外研究最多的一種。另外，組織超塑性除了對(duì)材料的組織有一定要求外，對(duì)應(yīng)變速率和變形溫度也很敏感。這樣變形的特點(diǎn)是，初期時(shí)每一次循環(huán)的變形量比較小，而在一定次數(shù)之后，每一次循環(huán)可以得到逐步加大的變形，到斷裂時(shí)，可以累積為大延伸。Al5%Si 及 Al4%Cu 合金在溶解度曲線上下施以循環(huán)加熱可以得到超塑性。此外還有電致超塑性，是指材料在電場(chǎng)或電流作用下所表現(xiàn)出的超塑性現(xiàn)象。超塑性材料在單向拉伸時(shí) δ 極高（按目前國(guó)外報(bào)道，有的δ 值可達(dá) 5000%） ，表明超塑性材料在變形穩(wěn)定性方面要比普通材料好的多。超塑性材料在變形過(guò)程中，變形抗力可以很小，它往往具有粘性或半粘性流動(dòng)的特點(diǎn)。（3）無(wú)縮頸。因此，超塑材料變形時(shí)雖有初期縮頸形成，但由于縮頸部位變形速度增加而發(fā)生局部強(qiáng)化，而其余未強(qiáng)化部分繼續(xù)變形，這樣使縮頸傳播出去，結(jié)果獲得巨大的宏觀均勻的變形。除了金屬材料(通常是合金)外，超塑成形工藝還可用于加工非金屬(如 YTZP 陶瓷)和復(fù)合材料等。對(duì)模具材料要求也較低，可用強(qiáng)度要求低、價(jià)格低廉的材料制造模具，節(jié)省模具制造費(fèi)用。（4）成形速率低、成形時(shí)間長(zhǎng)：由于材料發(fā)生超塑性變形的應(yīng)變速率約為，與常規(guī)塑性成形相比，超塑成形的應(yīng)變速率低、加工時(shí)間長(zhǎng)，一般只適合生產(chǎn)小批量的制件。 （2）從金相組織方面觀察，當(dāng)原始材料為等軸晶粒組織時(shí)，在變形后幾乎仍是等軸晶粒，看不到晶粒被拉長(zhǎng)，但有一定程度的長(zhǎng)大，帶棱角的晶界變成彎曲或圓弧化。后者的變形主要發(fā)生在晶粒內(nèi)部，如滑移、孿晶等，其原子的相對(duì)移動(dòng)量不易超過(guò)兩個(gè)原子的間距，因而延伸率不大。它是最能體現(xiàn)超塑成形全部特點(diǎn)的一種工藝，也是超塑成形工藝中應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的工藝 [5]。利用材料的超塑性可以加工普通方法難以加工的零件，在航空航天、醫(yī)療器械制造等方面的應(yīng)用獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域已成為不可或缺的加工手段。在二級(jí)超塑性成形方法中，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)預(yù)成形模具，可以在很大程度上起到變形分散、緩解下模圓角處變薄過(guò)于集中、零件壁厚不均勻等問(wèn)題。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)改變了傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)件所使用的鉚接、螺接、膠接等形式，降低了零件整體重量，使復(fù)雜薄壁零件整體化，縮短了制造周期，提高了零件整體性能，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。板材一旦與模具接觸，就被模具所粘滯而不再繼續(xù)變薄。因此，簡(jiǎn)單凹模成形僅用于相對(duì)較淺、圓角較大的零件成形。圖 15 覆蓋成形示意圖 [5]（3）陽(yáng)模成形（Male Forming）對(duì)于較深和形狀復(fù)雜的零件，為了更好地利用材料，通常用陽(yáng)模成形，陽(yáng)模相對(duì)板材移動(dòng)。有研究表明空洞的長(zhǎng)大速度與靜水壓力成正比，即 。其示意如圖：圖 18 隔板成形示意圖 [5] 超塑成形工藝研究進(jìn)展 國(guó)內(nèi)外 SPF 工藝的研究概況金屬超塑性是當(dāng)今世界材料學(xué)五大前沿研究課題之一，發(fā)展速度較快，成就大。1962 年美國(guó)人 發(fā)表了一篇評(píng)論性文章，全面介紹了各國(guó)超塑性的研究成果，并從冶金學(xué)的角度分析了實(shí)現(xiàn)超塑性的可能性，產(chǎn)生條件及基本原理。他把 m 值與超塑性對(duì)應(yīng)起來(lái)，并??提出了測(cè)定 m 值的方法 [11]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，SPF 和 SPF/DB 工藝已廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，裝機(jī)使用的SPF 和 SPF/DB 構(gòu)件日益增多。格魯曼公司生產(chǎn)的 F14 艦載戰(zhàn)斗機(jī)，其 的前置翼原來(lái)是由 61 個(gè)鋁合金鈑金件和 1700 個(gè)緊固件鉚接而成，改用 SPF/DB 鈦合金夾層結(jié)構(gòu)后重量減輕 10%，成本降低 25%[13]。在國(guó)內(nèi)，超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的研究開(kāi)始于 70 年代末，目前開(kāi)展超塑成形技術(shù)研究和應(yīng)用的單位主要有北京航空制造工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、112 廠、703 所、529 廠等單位，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，我國(guó) SPF/DB 技術(shù)取得了一定的進(jìn)展。成飛集團(tuán)用 TC4 鈦合金 和 板材超塑性成形/擴(kuò)散連接生產(chǎn)某型飛機(jī)后機(jī)身大口蓋零件，比傳統(tǒng)工藝減重近 1/4，并大大減少了零件數(shù)量、裝配工作量。因此，開(kāi)展 SPF/DB 工藝的研究對(duì)于我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展具有極其深遠(yuǎn)的影響。在國(guó)外，韓國(guó)的 Yong 等人分別采用三角形單元和線單元，假設(shè)材料各向同性并采用修正的庫(kù)侖摩擦定律，用剛粘塑性有限元法分析研究了超塑性直壁筒、錐形件和方盒件充模脹形的過(guò)程 [18]。英國(guó)伍爾弗漢普頓大學(xué) ， 等用 ABAQUS 有限元軟件對(duì) Ti6Al4V 薄板材料的超塑性氣脹成形過(guò)程進(jìn)行了模擬。選擇 4 層和 2 層網(wǎng)格劃分方式則對(duì)結(jié)果影響不大 [21]。向毅斌、吳詩(shī)惇采用剛粘塑性有限元技術(shù)對(duì)超塑性脹形成形時(shí)間的影響因素進(jìn)行了數(shù)值分析，以圓筒形零件的恒壓和恒應(yīng)變速率充模脹形為例，給出了不同因素對(duì)超塑性成形時(shí)間的影響規(guī)律，為超塑性脹形實(shí)際工藝設(shè)計(jì)提供了依據(jù) [25]。 SPF 工藝在實(shí)際生產(chǎn)中需要解決的主要問(wèn)題SPF 工藝技術(shù)作為一門新興的制造技術(shù)，在實(shí)際的生產(chǎn)中還存在諸多問(wèn)題有待解決，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）壁厚變薄不均零件壁厚變薄不均，是成形工藝中普遍存在的問(wèn)題。（3）零件脫模困難在 SPF/DB 狀態(tài)下，零件處于半粘性軟化狀態(tài)，加之鈦合金在高溫下極易被污染。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究多集中在單層板零件，研究種類少，滿足不了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大力發(fā)展航空航天事業(yè)的需求。3）分析成形溫度、成形壓力、摩擦系數(shù)、零件結(jié)構(gòu)等因素對(duì)零件成形的影響，預(yù)測(cè)零件的壁厚分布和成形缺陷。利用有限元軟件對(duì)超塑成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、縮短周期、降低成本，是超塑成形研究中的重要手段。然后將本構(gòu)方程推廣到有限變形的情況，這時(shí)本構(gòu)方程中要采用具有客觀性的應(yīng)力和應(yīng)變速率。在塑性狀態(tài)，應(yīng)變應(yīng)力呈現(xiàn)非線性關(guān)系，卸載后留下永久的塑性變形。當(dāng)應(yīng)力 ij?位于曲之內(nèi)，即 ??0ijf??時(shí)，材料處于彈性狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力 ij?位于屈服面之上，即 ijf?時(shí)，材料發(fā)生屈服而進(jìn)入屈服狀態(tài)。 強(qiáng)化規(guī)律對(duì)于硬化材料，可以認(rèn)為其后繼屈服仍然服從前述的初始屈服準(zhǔn)則，但要用后繼屈服應(yīng)力取代其中的初始屈服應(yīng)力。通常采用單向拉伸中真實(shí)應(yīng)力和對(duì)數(shù)應(yīng)變的關(guān)系來(lái)確定一般應(yīng)力狀態(tài)下的等效應(yīng)力等效應(yīng)變關(guān)系。（3）冪函數(shù) （24）nK????式中 K——強(qiáng)度系數(shù)。T．H．A1den 在 Sn5％Bi 合金上發(fā)現(xiàn)，延伸率達(dá) 1000％時(shí)，晶粒仍保持等軸。在晶粒長(zhǎng)大的同時(shí)，晶界還出現(xiàn)圓弧化的趨勢(shì)。應(yīng)變速率愈低，此現(xiàn)象愈明顯。這表明變形時(shí)晶粒不僅沿晶界產(chǎn)生了滑動(dòng)，而且晶粒也產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。除了晶粒間的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)外，他們還發(fā)現(xiàn)在超塑性變形時(shí)晶粒的換位，其中包括挾開(kāi)(兩個(gè)原來(lái)相鄰的晶粒被兩旁另外兩個(gè)晶粒挾開(kāi))和轉(zhuǎn)出(從下層轉(zhuǎn)出一個(gè)晶粒擠在原來(lái)幾個(gè)相鄰晶粒之間)。因此，他們所研究的只是經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間之后的多晶體的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，而不是超塑性變形正在進(jìn)行時(shí)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的研究還表明，超塑性變形時(shí)位錯(cuò)密度與應(yīng)力狀態(tài)也有一定的關(guān)系。（4）空位濃度的變化 空位是晶體中的一種點(diǎn)缺陷。對(duì)于一定的晶體，在一定的溫度下，這種飽和濃度也是一定的。進(jìn)一步研究還表明，空位濃度將隨著拉應(yīng)力、應(yīng)變速率的增加而增加。孔洞通常產(chǎn)生于晶界和相界處并隨著變形的進(jìn)行而發(fā)展。關(guān)于孔洞的長(zhǎng)大，Backoften 認(rèn)為是應(yīng)力（主要沿晶界）促進(jìn)空位擴(kuò)散機(jī)理和孔洞周圍塑性變形機(jī)理共同作用促進(jìn)孔洞長(zhǎng)大。金屬多晶體的斷裂可分為穿晶斷裂和沿晶斷裂。 超塑性變形機(jī)理超塑性變形機(jī)理所討論的是超塑性流變期間材料內(nèi)部原子或原子群的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和方式。不同的材料在不同的實(shí)驗(yàn)條件下也可能有不同的機(jī)理。在這種理論中，連續(xù)變形是由空位在外加應(yīng)力場(chǎng)中作定向運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此模型認(rèn)為，在外加拉應(yīng)力 σ 作用下，在橫向晶界 AB 和 CD 上形成空位比在側(cè)向晶界 AEC 和 BFD 上形成空位在能量上更有利，因而在這兩類晶界上產(chǎn)生的空位濃度不同。理論上由這種穿過(guò)晶體內(nèi)部擴(kuò)散的空位流所產(chǎn)生的應(yīng)變速率為 121DkTdA????? （26）式中 A1為常數(shù)，Ω 為原子體積，k 為波爾茨曼常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度，d 為晶粒尺寸，D 1為晶內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)(又稱體擴(kuò)散系數(shù))。理論上這種擴(kuò)散所產(chǎn)生的應(yīng)變速率為 22DkTdA?????? （27）式中，A 2為常數(shù)，ω 為晶界有效寬度，D 2為晶界擴(kuò)散系數(shù)，其它符號(hào)同前。在大多數(shù)情況下，按(26)、(27)和(28)式計(jì)算的應(yīng)變速率比實(shí)驗(yàn)值低，但也有一致的時(shí)候，因而可以認(rèn)為擴(kuò)散蠕變?cè)诔苄宰冃沃衅鹆艘欢ǖ淖饔?。?） 晶界滑動(dòng)機(jī)理超細(xì)晶粒材料的晶界具有異乎尋常大的總面積，不考慮晶界運(yùn)動(dòng)在超塑性流變過(guò)程中的作用，就無(wú)法解釋結(jié)構(gòu)超塑性。特別是高溫變形時(shí)，這兩種過(guò)程交替進(jìn)行，會(huì)引起晶界的變形、晶粒的長(zhǎng)大，甚至形成裂紋。 晶界滑動(dòng)曾被看作是唯一能夠解釋變形過(guò)程中保持晶粒等軸性和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)理。下面我們介紹幾種晶界滑動(dòng)理論，主要是由擴(kuò)散蠕變或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)的晶界滑動(dòng)理論。在外應(yīng)力作用下，其應(yīng)變速率與應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系可由 E．Orowan(1949)提出的公式表示 2DkT?????? （29） 式中，β 為常數(shù)，其它符號(hào)同前。R．N．Stevens(1972)則認(rèn)為擴(kuò)散蠕變和晶界滑動(dòng)可能是相互聯(lián)系的過(guò)程，當(dāng)進(jìn)行擴(kuò)散蠕變時(shí)，晶界滑動(dòng)可以看作是調(diào)節(jié)過(guò)程，反之，晶界滑動(dòng)時(shí)，擴(kuò)散蠕變起調(diào)節(jié)作用。當(dāng)外力作用時(shí)，這些坎分為兩種類型：一為壓縮型的坎——簡(jiǎn)稱壓坎；一為張開(kāi)型的坎——簡(jiǎn)稱張坎，如圖 22 所示。圖 22 是晶粒在有坎的晶界上滑動(dòng)時(shí)，外力驅(qū)動(dòng)原子從壓坎沿晶界擴(kuò)散到張坎的示意圖圖 22 晶粒在有坎的晶界上滑動(dòng)示意圖 [2]②晶內(nèi)—晶界擴(kuò)散共同調(diào)節(jié)的晶界滑動(dòng)模型 1973 年 M．F．Ashby 和 R．A．Verrall 提出了一個(gè)由晶內(nèi)一晶界擴(kuò)散蠕變過(guò)程共同調(diào)節(jié)的晶界滑動(dòng)模型。這個(gè)模型的擴(kuò)散渠道多，路程短，物質(zhì)的遷移量也少，因而在相同的應(yīng)力 σ 下，可以獲得更大的應(yīng)變速率。在滑動(dòng)晶界的頂端存在著起障礙作用的晶粒，故在該處引起應(yīng)力集中，并在此障礙晶粒內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)源。這時(shí)，晶內(nèi)位錯(cuò)源又會(huì)再發(fā)射新位錯(cuò)，使晶界再滑動(dòng)一小段距離。這種再結(jié)晶可使內(nèi)部有畸變的晶粒變?yōu)闊o(wú)畸變的晶粒，從而消除其預(yù)先存在的應(yīng)變硬化。應(yīng)變速率過(guò)大，再結(jié)晶受到抑制，變形硬化不能充分消除，應(yīng)力集中得不到及時(shí)松弛，材料內(nèi)部易過(guò)早地出現(xiàn)空洞和裂紋。各種結(jié)構(gòu)超塑性材料雖有其共性，但每種材料都有其區(qū)別于它種材料的特性，這些特性一方面由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)所決定，另一方面又受外部變形條件的制約。許多材料在 ～ 范圍內(nèi)呈現(xiàn)超塑性，只是程度有所不同。對(duì)于大多數(shù)的合金來(lái)說(shuō)，晶粒尺寸對(duì)超塑性的影響很大。超塑變形不同于一般的金屬塑性變形，晶內(nèi)滑移、孿晶等塑性變形機(jī)制對(duì)總的變形量貢獻(xiàn)不大，而主要的變形機(jī)制是一種