钛与钛合金冲压成形研究进展及应用现状

钛是在地壳中分布最广的元素之一，约占地壳总重量的0.6%。在金属中仅次于铝、铁、镁，居第四位。钛与钛合金具有以下优良特性：比强度高，与一般的高强度结构钢和高温合金相当，但是其密度只有钢的57%左右；耐腐蚀性强，钛是一种化学活性很高的金属，在常温下金属表面容易形成一层稳定性高、附着力强的氧化物或氮化物组成的钝化膜；低温性能好，在低温和超低温的条件下，能够保持高强度的同时，仍然具有足够的低温韧性和延展性；生物相容性好，弹性模量低，无磁性，无毒性等。钛与钛合金具有以上诸多特点，冲压成形件广泛应用于航空航天、海洋和生物医疗等领域。本文综述了钛与钛合金冲压成形的研究进展和应用现状，以期为钛与钛合金的冲压成形工艺研究和应用推广提供参考。

不同类型钛合金的冲压成形能力

按照亚稳状态下的相组织和β稳定元素含量对钛合金进行分类，钛合金分为α型、α+β型和β型三大类。

α型钛合金通常室温下只含有α相，α相属于密排六方（HCP）结构，这一结构决定了其在室温变形的特点，与体心立方结构不同，密排六方结构滑移系较少，而且随着c轴与a轴比值而变化。纯钛的c/a为1.578。在这些滑移系中完全独立的滑移系只有4个，达不到米塞斯条件所要求的塑性变形必须的5个滑移系。但是，由于塑性变形过程中，孪晶{1122}、{1121}的作用，导致α型钛合金的变形能力较强，因此，α型钛合金适合室温冲压成形，这类钛合金包括TA1，TA2，TA3等。

α+β型钛合金，退火组织为α+β相（初生α相+残余β相），β相含量一般为5%～40%。α+β型钛合金中同时加入了α稳定元素和β稳定元素，使α相和β相都得到强化。虽然β相属于体心立方结构，室温变形过程中可以开动的滑移系较多，但是由于初生α相是在两相区较大变形后经过适当的热处理获得的，它与残余β相之间的Burgers位向关系已经被破坏，此时的初生α相和残余β相属于非共格关系，初生α相和残余β相中的滑移系取向随机分配；此外，由于初生α相和残余β相的界面（α/β）两侧晶格参数差异较大，界面能较高，变形过程中协调性较差，因此α+β型钛合金的室温强度较高。主要适用于航空航天结构件等，不适合在室温下冲压成形。常用的α+β型钛合金包括TC4、TC6、TC11和TC21等。

β型钛合金通常包含亚稳定β型钛合金和稳定β型钛合金。由于稳定β型钛合金比重较大、熔炼比较困难，变形抗力大等，目前该类钛合金应用较少。亚稳定β型钛合金，含有高于临界浓度的β稳定元素，采用空冷或水淬，几乎可以全部得到亚稳定β相。亚稳定β相属于体心立方结构（BCC），亚稳定β相滑移方向为<111>，可能出现的滑移面有{110}、{112}、{123}，如果三组滑移面都能启动，则潜在的滑移系数目有48个，其中{110}<111>滑移系12个；{112}<111>滑移系12个，{123}<11l>滑移系24个。因此，亚稳定β型钛合金在退火或固溶状态具有非常好的工艺塑性和冷成形性。这类合金主要包括TB2、TB3、TB5和TB8等，它们通常具有优良的冷轧和冷成形性，可在室温下成形中等复杂的钣金零件，并可冷镦铆钉和螺栓。

综上所述，α型钛合金可以通过孪晶协调变形，亚稳定β型钛合金β相属于体心立方结构，可开动的滑移系较多，它们是良好的冲压成形材料。

影响钛与钛合金冲压成形的因素

影响钛与钛合金冲压成形的因素，除了冲压材料本身微观晶体结构外，还包括材料的宏观力学性能、成形模具和冲压成形工艺参数等。

钛与钛合金力学性能的影响

影响钛与钛合金冲压成形的力学性能主要包括材料的屈强比（R_p/R_m）、延伸率（A）和杯突指数（IE）等，具体力学性能如表1所示。

冲压成形模具的影响

由于钛与钛合金的弹性模量小，弯曲能力较差，因此，成形模具凸模和凹模的圆角半径对钛与钛合金材料的冲压成形有很大影响。通常凸模圆角半径≥(4～8)t（t为板材厚度）或者更大，才能避免冲压过程中材料开裂现象。增大凹模圆角半径有利于材料的冲压成形，但不能过大，过大会造成冲压材料较早脱离压边圈，导致起皱现象提前发生，但凹模圆角半径也不能过小，过小会造成拉裂现象。此外，凸、凹模间隙对冲压力、工具磨损、切口表面质量以及零件精度会产生很大影响，所以必须合理设置凸、凹模间隙，凸、凹模间隙通常按以下公式进行计算：Z=(0.03～0.05)t，其中t为板材厚度（mm），由于钛与钛合金的回弹大，为了减小回弹，一般凸、凹模间隙值取下限值。

冲压成形工艺参数的影响

压边间隙、压边力、冲压速率和冲压温度对钛与钛合金材料冲压成形也有很大的影响。大量研究表明，通常钛与钛合金材料冲压成形压边间隙为板料厚度的1～1.2倍时，冲压成形过程中不会发生板材拉裂和起皱现象；压边力过小或者过大，都会造成冲压材料起皱和破裂；冲压速率不宜过高，冲压速率过高，会造成位错在晶界和相界等缺陷处快速塞积和缠结，产生加工硬化现象，此外，也增大了变形的不均匀性，导致塑性变形难以进行，材料发生破裂。因此，冲压速率通常不宜超过0.25mm/s。与热冲压相比，冷冲压可以降低钛与钛合金产品的生产成本。但是，由于大部分钛与钛合金室温变形抗力较大，不适合室温冲压，热冲压过程中，原子和位错运动速度加快，冲压材料塑性明显提高，开裂倾向减小，同时由于高温下的热作用，消除了材料变形时产生的内应力，减小了回弹量，提高了零件的成形精度，帮助热成形技术在钛与钛合金上得到了广泛的应用。国外航空航天领域中，钛与钛合金冲压成形件绝大多数采用热冲压成形技术。

综上所述，除了钛与钛合金材料的微观晶体结构外，冲压材料的宏观力学性能（屈强比、延伸率、弹性模量、加工硬化指数、杯突指数等）对冲压成形有很大的影响，屈强比R_p/R_m越小，延伸率A和杯突指数IE越大，钛与钛合金材料的冲压成形性能越好；选择合适的凸模和凹模的圆角半径、压边间隙、压边力、冲压速率和冲压温度有助于冲压工序顺利完成。热冲压有助于提高冲压材料的塑性变形能力，消除材料变形时产生的内应力，避免材料冲压过程中破裂或起皱，提高冲压零件成形精度。

钛与钛合金冲压成形工件的应用现状

钛与钛合金具有比强度高，耐腐蚀性好和生物相容性好等优点。钛与钛合金冲压成形工件的应用范围在不断扩大，不仅应用于航空航天、海洋和生物医疗等，民用钛合金的比重也在逐渐增大。

航空航天领域

钛与钛合金在航空航天领域中应用最为广泛。钛与钛合金的冲压成形工件主要用于航空航天器紧固件、液压管、发动机机匣外壳、内外整流罩、导向器内环、压气机集气室和燃料储存装置等。

海洋领域

钛以其轻质、高比强、高比刚、高耐蚀、无磁性等优异性能被称为“海洋金属”，是海军工程最有前途的金属材料，被世界各国广泛应用于水面舰船、水下潜艇、深潜器、水中兵器和通讯设备等领域。

钛与钛合金以其优异的综合性能成为载人舱球壳的最佳材料，欧美等发达国家于20世纪60年代开始采用钛合金制造深潜器载人舱球壳。为提高载人舱球壳的安全可靠性和结构效益，载人舱球壳大多采用半球壳整体冲压成形工艺，如法国的6000m“鹦鹉螺号”、日本的“深海6500”及美国的“新阿尔文号”载人深潜器。而俄罗斯的“和平号”载人舱球壳采用瓜瓣焊接方式制备。与瓜瓣焊接球壳相比，整体冲压成形半球壳的焊缝明显减少，均匀性、一致性相对更好，疲劳寿命也会大幅提高。我国深潜器载人舱球壳研究起步相对较晚，2015年5月，我国首个4500m载人潜水器载人球壳在中国船舶重工集团公司第七二五研究所出厂，该球壳采用近α型钛合金制造，先将钛合金厚板分瓣冲压成形，再进行组装并焊接成球，球壳直径为2.1m，是我国首次利用冲压成形技术成功制造的大规格钛合金半球壳。

日常生活领域

随着钛与钛合金冲压成形技术的不断提高，以及低成本钛合金的开发，钛与钛合金冲压制品在日常生活领域中也得到了广泛的应用。1953年日本光学工业公司将钛合金冲压成形件成功应用于尼康F相机焦点快门的金属帘；1990年推出首架全钛外壳照相机；京陶的G1（1994年）和G2（1996年）、富士的APS（1997年）照相机上都采用了钛合金冲压成形件外壳；富士通公司于1999年推出了钛合金外壳的笔记本电脑INTERTOP CX300；部分手表外壳、手机外壳、笔筒和水杯等也利用钛合金取代了传统材料。此外，西北有色金属研究院通过冲压成形技术研发出一款重量轻、抗腐蚀性能好、无毒的纯钛锅（图1），已经进入了很多消费者的厨房。

金福钛业旗下钛锅

其他领域

除了航空航天、海洋和日常生活领域外，钛与钛合金冲压件也应用到了生物医疗和国防军工等领域。由于钛与钛合金有很好的生物相容性，因此，通常被用于心脏起搏器、脑刺激器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器等植入式有源医疗器械的外壳。此外，国防领域方面，我国某100mm迫击炮座板是通过TA7钛合金板整体冲压成形得到的，西北有色金属研究院研制的钛合金头盔也是通过冲压成形制成的。

结束语

钛与钛合金具有比强度高、抗腐蚀性能好、生物相容性好等优点，钛与钛合金冲压成形工件广泛应用于航空航天、海洋、生物医疗和国防等领域。此外，由于生产工艺的改善和低成本钛合金的开发，钛与钛合金冲压制品也逐渐走进了人们的日常生活中。因此，怎样改善钛与钛合金冲压成形性能，提高冲压制品的成形精度，降低研发和生产成本，是推动钛与钛合金冲压成形技术发展的关键所在，我国科研人员应该从以下几个方面展开工作：

⑴使用有限元仿真模拟技术，对钛与钛合金材料成形进行有限元数值模拟，并结合实际生产，建立冲压成形数据库，预测材料成形过程中的破裂、起皱、减薄和回弹，评估成形质量，及早解决冲压过程中的问题，确定合适的工艺参数，缩短研发周期，降低生产成本；

⑵冷冲压成形过程难以实现时，采用热冲压技术，现阶段热冲压技术主要采用恒温加热。由于冲压过程中冲压材料不同部位的变形程度往往不同，因此，可以根据冲压材料不同部位变形量的需求采用变温加热，从而提高冲压成形工件的尺寸精度，解决复杂冲压工件的生产难点；

⑶与传统材料相比，钛与钛合金具有诸多优势，需要加大低成本钛合金的研发和冲压制品的推广应用。

文章节选自《锻造与冲压》2018年第20期