CN108760430B - 一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法，属于合金成形极限曲线测量领域。本发明使用氮化硅陶瓷球和二硫化钼为传压介质，具有耐高温的优点，可实现更高的压力、可用于更宽的温度范围；通过改变传压介质构成和模具共同实现了双拉应变区不同应变加载路径；合金板材变形过程中应变测量通过在线视觉测量技术来实现，通过以上三点组合实现合金板材在更宽的温度区间内、更多的加载路径下、更精确的应变测量条件下的成形极限曲线试验获取方法。

Description

一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法

技术领域

本发明涉及合金成形极限曲线测量技术领域，具体涉及一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法。

背景技术

在航空航天及汽车制造等领域，高强金属合金板材(铝合金板、镁合金板、钛合金板等)的运用已成为实现构件轻量化和保证足够强度的主要途径之一。然而，高强板材在室温条件下塑性变形能力差，很难通过冲压加工得到形状复杂的零件。因此，该类板材的塑性加工往往需要在高温条件下进行，低则200℃～300℃，高则接近1000℃。如何获取高温条件下的成形极限曲线来评估该类板材在特定工艺温度条件下的最大成形能力是一项比较困难而又意义重大的工作。

一般而言，获得成形极限曲线的方法主要有理论方法和试验方法。理论获取成形极限曲线的方法限于所用理论的适用性和准确性，往往会出现理论与实际偏差很大的情况。因此，在工业生产中对于不同的原材料，采用试验的方法获取成形极限曲线是最有效、可靠的方法。传统的冷冲压成形中，试验获取成形极限曲线的方法主要有圆柱形凸模试验方法、半球形凸模试验方法和液压胀形试验方法。在前两种刚性凸模试验方法中，通过改变试样与凸模接触时的润滑状态实现双拉应变区的不同应变加载路径来获得成形极限图右侧区域，但是，高温下的润滑介质的选择有限，其润滑效果的改变不能使试件的应变范围较多地覆盖成形极限图所要求的区域。液压胀形试验方法通过改变凹模形状来实现双拉应变区的不同加载路径，以获得较完整的成形极限图右侧区域，但是，限于液体介质和装置密封原件的耐热能力限制，该方法所适用的变形温度范围一般不超过300℃，因此难以获取高温条件下的板材成形极限曲线。

在获取成形极限曲线的试验中，应变主要通过网格分析技术来获得。试验前在板材上印制大小相同的方形或圆形网格，试验后测量颈缩和破裂位置及其附近网格尺寸的变化，然后通过一系列数学处理方法得到失效时刻的第一主应变和第二主应变。常用印制网格的方法有：油墨丝网印制法、电化学腐蚀法、激光刻烛法。无论何种方法，高温条件下网格的清晰度都会受到影响，后续应变分析的精度便难以保证。

综上所述，现有获取成形极限曲线的试验方法在高温条件下难以实施的主要原因可归结为以下两点：一是高温条件下不同应变路径的加载方式难以实现；二是高温条件下的应变测量难以保证精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法，用于更宽变形温度区间的成形极限曲线试验测定方法，为钛合金板材高温条件下的成形极限曲线绘制提供一种切实可行的试验方法。

本发明提供一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法，包括以下步骤：

(1)在钛合金板材的单面喷涂斑点原料，制作斑点，得到预处理合金板材，所述斑点原料包括二氧化硅、二氧化钛和有机溶剂；

(2)提供传压介质，所述传压介质包括氧化锆陶瓷球和氮化硼，所述氧化锆陶瓷球的粒径为0.05、0.1或0.2mm，所述氧化锆陶瓷球和氮化硼的体积比为9:1或8:2；

(3)通过热成形极限曲线测量装置对所述预处理合金板材、传压介质以及模具分别进行预热，所述预处理合金板材、传压介质和模具的预热温度独立地为600～900℃；所述模具为椭圆形胀形模具，所述模具的长轴直径为100mm，短轴直径分别为100，90，80，60和40mm；

(4)施加边压力，所述边压力的压力率为0.0045或0.045MPa·s^-1；

(5)通过在线视觉测量系统记录应变数据，利用在线视觉测量系统软件计算不同传压介质以及不同模具条件下失效临界时刻的第一主应变和第二主应变作为极限主应变，将得到的极限主应变绘制在成形极限图中，得到合金板材热成形极限曲线；

对所述步骤(1)和(2)没有时间上的限定。

优选地，所述步骤(1)中钛合金板材为圆形，所述钛合金板材的直径为180～200mm，厚度为1～1.5mm。

优选地，所述步骤(3)中预处理合金板材、传压介质以及模具的预热升温速率独立地为5～10℃/min。

优选地，所述步骤(5)中在线视觉测量系统位于热成形极限曲线测量装置的上模上方。

优选地，所述步骤(5)中计算极限主应变包括以下步骤：在破裂位置附近区域提取第一主应变和第二主应变，分别求取平均值作为极限主应变。

本发明提供一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法，包括以下步骤：

(1)在钛合金板材的单面喷涂斑点原料，制作斑点，得到预处理合金板材，所述斑点原料包括二氧化硅、二氧化钛和有机溶剂；

(2)提供传压介质，所述传压介质包括氧化锆陶瓷球和氮化硼，所述氧化锆陶瓷球的粒径为0.05、0.1或0.2mm，所述氧化锆陶瓷球和氮化硼的体积比为9:1或8:2；

(3)通过热成形极限曲线测量装置对所述预处理合金板材、传压介质以及模具分别进行预热，所述预处理合金板材、传压介质和模具的预热温度独立地为600～900℃；所述模具为椭圆形胀形模具，所述模具的长轴直径为100mm，短轴直径分别为100，90，80，60和40mm；

(4)施加边压力，所述边压力的压力率为0.0045或0.045MPa·s^-1；

(5)通过在线视觉测量系统记录应变数据，利用在线视觉测量系统软件计算不同传压介质以及不同模具条件下失效临界时刻的第一主应变和第二主应变作为极限主应变，将得到的极限主应变绘制在成形极限图中，得到合金板材热成形极限曲线；

对所述步骤(1)和(2)没有时间上的限定。

本发明使用氧化锆陶瓷球和氮化硼为传压介质，具有耐高温的优点，可实现更高的压力、可用于更宽的温度范围，在高温条件下为成形极限曲线试验获取过程中的合金板材自由胀形提供加载压力；通过改变传压介质构成和模具共同实现了双拉应变区不同应变加载路径，避免了高温条件下通过改变摩擦状态来获取不同加载路径存在的应变路径区别不明显的现象，有效解决了现有技术测量结果在双拉应变区较为集中的问题，能够有效提升成形极限曲线绘制的准确性；合金板材变形过程中应变测量通过在线视觉测量技术来实现，根据板料变形过程中第一主应变和第二主应变的变化历史来确定极限主应变，使得成形极限曲线的确定更加准确，克服了油墨丝网印制法、电化学腐蚀法、激光刻烛法在高温条件难以实施或测量误差大的问题，且根据应变历史变化确定极限应变，可以与同步获取的加载曲线对比分析，能够准确地辨识板材变形失稳开始和断裂发生时刻板面主应变数值，通过以上三点组合实现合金板材在更宽的温度区间内、更多的加载路径下、更精确的应变测量条件下的成形极限曲线试验获取方法。

附图说明

图1为本发明钛合金板材热成形极限曲线的测定方法使用的模具的结构图；

图2为本发明使用的热成形极限曲线测量装置以及在线视觉测量系统的结构图；

图3为本发明实施例1得到的第一个试验数据点图；

图4为本发明实施例1不同应变路径下的极限主应变点图；

图5为本发明实施例1Ti-6Al-4V合金板材的成形极限曲线。

具体实施方式

本发明提供一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法，包括以下步骤：

(1)在钛合金板材的单面喷涂斑点原料，制作斑点，得到预处理合金板材，所述斑点原料包括二氧化硅、二氧化钛和有机溶剂；

(2)提供传压介质，所述传压介质包括氧化锆陶瓷球和氮化硼，所述氧化锆陶瓷球的粒径为0.05、0.1或0.2mm，所述氧化锆陶瓷球和氮化硼的体积比为9:1或8:2；

(3)通过热成形极限曲线测量装置对所述预处理合金板材、传压介质以及模具分别进行预热，所述预处理合金板材、传压介质和模具的预热温度独立地为600～900℃；所述模具为椭圆形胀形模具，所述模具的长轴直径为100mm，短轴直径分别为100，90，80，60和40mm；

(4)施加边压力，所述边压力的压力率为0.0045或0.045MPa·s^-1；

(5)通过在线视觉测量系统记录应变数据，利用在线视觉测量系统软件计算不同传压介质以及不同模具条件下失效临界时刻的第一主应变和第二主应变作为极限主应变，将得到的极限主应变绘制在成形极限图中，得到合金板材热成形极限曲线；

对所述步骤(1)和(2)没有时间上的限定。

本发明在钛合金板材的单面喷涂斑点原料，制作斑点，得到预处理合金板材，所述斑点原料包括二氧化硅、二氧化钛和有机溶剂。在本发明中，所述钛合金板材优选为圆形，所述钛合金板材的直径优选为180～200mm，更优选为185～195mm，厚度优选为1～1.5mm。

本发明对所述钛合金板材的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

本发明对所述喷涂、喷涂量、斑点的大小没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的喷涂方法以及喷涂用量即可。

本发明优选在所述钛合金板材的单面完全喷涂斑点。在本发明中，所述斑点的作用是方便在线测量系统利用图像识别技术计算合金板材变形过程中的应变分布云图。

在本发明中，所述钛合金板材喷涂斑点原料前优选还包括采用冲压下料或者机械切割，切断合金板材边缘、打磨去毛刺。

本发明提供传压介质，所述传压介质包括氧化锆(ZrO₂)陶瓷球和氮化硼，所述氧化锆陶瓷球的粒径为0.05、0.1或0.2mm，所述氧化锆陶瓷球和氮化硼的体积比为9:1或8:2。本发明对所述氧化锆陶瓷球和氮化硼的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

在本发明中，所述传压介质优选包括：①体积比为9:1的氧化锆陶瓷球(粒径为0.05mm)和氮化硼、②体积比为9:1的氧化锆陶瓷球(粒径为0.1mm)和氮化硼、③体积比为9:1的氧化锆陶瓷球(粒径为0.2mm)和氮化硼、④体积比为8:2的氧化锆陶瓷球(粒径为0.05mm)和氮化硼、⑤体积比为8:2的氧化锆陶瓷球(粒径为0.1mm)和氮化硼、⑥体积比为8:2的氧化锆陶瓷球(粒径为0.2mm)和氮化硼。

本发明对所述传压介质的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的组合物的制备方法制得即可。

本发明通过热成形极限曲线测量装置对预处理合金板材、传压介质以及模具分别进行预热，所述预处理合金板材、传压介质和模具的预热温度独立地为600～900℃；所述模具为椭圆形胀形模具，所述模具的长轴直径为100mm，短轴直径分别为100，90，80，60和40mm。在本发明中，所述预处理合金板材、传压介质以及模的预热升温速率独立地优选为5～10℃/min。

图1为本发明使用的模具的结构示意图，图1中：1为长短轴均为100mm的模具，2为长轴为100mm、短轴为90mm的模具，3为长轴为100mm、短轴为80mm的模具、4为长轴为100mm、短轴为70mm的模具，5为长轴为100mm、短轴为60mm的模具。

在本发明中，所述预热温度独立地优选为800℃。

本发明中对所述热成形极限曲线测量装置的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的热成形极限曲线测量装置即可。

图2为本发明使用的热成形极限曲线测量装置以及在线视觉测量系统的结构图，图2中：1为恒温环境箱，2为顶杆，3为上模压边圈，4为合金试件，5为下模压边圈，6为推杆，7为隔热层，8为绝热圈，9为压头，10为耐热颗粒介质，11为在线视觉测量系统，12为观测窗。合金试件4放在上模压边圈3和下模压边圈5之间，在压头与下模压边圈形成的空腔内装入第一种规格的耐热颗粒介质10，然后将整套装置放于恒温环境箱1中加热至合金板材成形温度，上模压边圈3由顶杆2固定，下模压边圈5由推杆6固定并施加压边力，且推杆6、顶杆2以及压头9与箱体衔接处设有绝热圈8，隔绝箱内温度散失。待恒温环境箱1温度稳定后，通过推杆6施加压边力。

在本发明中，所述在线视觉测量系统优选位于热成形极限曲线测量装置的上模上方。

施加边压力，所述边压力的压力率为0.0045或0.045MPa·s^-1。本发明对所述施加边压力的具体方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的施加边压力的方式即可。

通过在线视觉测量系统记录应变数据，利用在线视觉测量系统软件计算不同传压介质以及不同模具条件下失效临界时刻的第一主应变和第二主应变作为极限主应变，将得到的极限主应变绘制在成形极限图中，得到合金板材热成形极限曲线。

在本发明中，所述计算极限主应变优选包括以下步骤：在破裂位置附近区域提取第一主应变和第二主应变，分别求取平均值作为极限主应变。

下面结合实施例对本发明提供的合金板材热成形极限曲线的测定方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

制备若干个直径为180mm，厚度为1mm的Ti-6Al-4V钛合金圆板试件，使用斑点物料，在试件的一个表面上喷涂黑白散斑，散斑覆盖整个表面。

配制传压介质：传压介质选择粒径为0.05mm、0.1mm、0.2mm的氧化锆陶瓷球和氮化硼，配制以下几种规格的传压介质：①体积比为9:1的氧化锆陶瓷球(粒径为0.1mm)和氮化硼、②体积比为9:1的氧化锆陶瓷球(粒径为0.3mm)和氮化硼、③体积比为9:1的氧化锆陶瓷球(粒径为0.5mm)和氮化硼、④体积比为8:2的氧化锆陶瓷球(粒径为0.1mm)和氮化硼、⑤体积比为8:2的氧化锆陶瓷球(粒径为0.3mm)和氮化硼、⑥体积比为8:2的氧化锆陶瓷球(粒径为0.5mm)和氮化硼。

使用图2所示热成形极限曲线测量装置，合金试件4放在上模压边圈3和下模压边圈5之间，在压头与下模压边圈形成的空腔内装入第一种规格的耐热颗粒介质10，然后将整套装置放于恒温环境箱1中加热至合金板材成形温度800℃，上模压边圈3由顶杆2固定，下模压边圈5由推杆6固定并施加压边力，且推杆6、顶杆2以及压头9与箱体衔接处设有绝热圈8，隔绝箱内温度散失。待恒温环境箱1温度稳定后，通过推杆6施加压边力。

打开在线视觉测量系统(11)准备记录板材的变形历史，合模完成后马上通过压头(9)对传压介质施加边压力，直至传压介质将钛合金圆板试件胀破，边压力的压力率为0.0045MPa·s^-1。

在整个胀形过程中，通过在线视觉测量系统(11)记录的应变数据，根据系统测量得到的应变云图，选取破裂位置周围区域的第一主应变和第二主应变求取平均值作为极限主应变，并绘制在成形极限图的右侧，得到第一个试验数据点(见图3)。更换不同形状上模压边圈，即不同模具的结构(见图1)，图1中：1为长短轴均为100mm的模具，2为长轴为100mm、短轴为90mm的模具，3为长轴为100mm、短轴为80mm的模具、4为长轴为100mm、短轴为70mm的模具，5为长轴为100mm、短轴为60mm的模具，重复上述实验步骤，得到其他应变路径下的试验数据点；更换其它规格的传压介质，再次的重复上述试验过程，得到更多不同应变路径下的极限主应变(见图4)。将所有不同应变路径下得到的各个极限主应变绘制在成形极限图右侧，光滑连线得到钛合金板材在600℃下该区域的成形极限曲线(见图5)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种钛合金板材热成形极限曲线的测定方法，包括以下步骤：

(1)在钛合金板材的单面喷涂斑点原料，制作斑点，得到预处理合金板材，所述斑点原料包括二氧化硅、二氧化钛和有机溶剂；

(2)提供传压介质，所述传压介质包括氧化锆陶瓷球和氮化硼，所述氧化锆陶瓷球的粒径为0.05、0.1或0.2mm，所述氧化锆陶瓷球和氮化硼的体积比为9:1或8:2；

(3)通过热成形极限曲线测量装置对所述预处理合金板材、传压介质以及模具分别进行预热，所述预处理合金板材、传压介质和模具的预热温度独立地为600～900℃；所述模具为椭圆形胀形模具，所述模具的长轴直径为100mm，短轴直径分别为100，90，80，60或40mm；

(4)施加边压力，所述边压力的压力率为0.0045或0.045MPa·s^-1；

(5)通过在线视觉测量系统记录应变数据，利用在线视觉测量系统软件计算不同传压介质以及不同模具条件下失效临界时刻的第一主应变和第二主应变作为极限主应变，将得到的极限主应变绘制在成形极限图中，得到合金板材热成形极限曲线；所述步骤(5)中计算极限主应变包括以下步骤：在破裂位置附近区域提取第一主应变和第二主应变，分别求取平均值作为极限主应变；

对所述步骤(1)和(2)没有时间上的限定。

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述步骤(1)中钛合金板材为圆形，所述钛合金板材的直径为180～200mm，厚度为1～1.5mm。

3.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述步骤(3)中预处理合金板材、传压介质以及模具的预热升温速率独立地为5～10℃/min。

4.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述步骤(5)中在线视觉测量系统位于热成形极限曲线测量装置的上模上方。

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