发布日期：2025-10-1 10:35:34
引言
随着全球制造业向高效、节能、低碳方向发展，材料成形技术正面临降低能耗、提高加工精度等多重挑战。尤其在航空航天等领域，高性能轻合金材料的需求日益增长，如钛合金因其优异的比强度、耐腐蚀性，被广泛应用于航空发动机、飞机结构件和高性能承力部件 [1-6]。然而，钛合金在成形过程中存在室温塑性差、变形抗力高等问题，严重限制了其工程应用 [7-13]。
脉冲电流辅助热处理及成形技术是近些年发展起来的一种电 - 热 - 力多能场耦合的先进技术 [14-20]。与传统加热方式不同，脉冲电流可通过焦耳热效应快速加热材料，同时其电致迁移和电致塑性等效应能显著加速原子扩散、降低流动应力，从而能有效加速材料的热处理进程，并改善成形性能 [17,21-27]。相比于传统的电阻炉加热成形，脉冲电流辅助成形具有高效、节能等优点，被广泛应用于金属零件的热成形中，如冲压、拉拔、轧制和气胀成形等工艺中。
王少楠 [28] 利用电流辅助拉深装置成功制备了深度为 15 mm 的盒形 AZ31 镁合金试样，指出脉冲电流的热效应和非热效应耦合机制会促进变形过程中的动态再结晶，进而提高镁合金的塑性变形能力。ZHAO Y X 等 [29] 采用类似的装置对超薄 (0.2 mm 厚) TC4 钛合金进行了电流辅助 U 形弯曲成形，结果表明，成形过程中引入脉冲电流可有效降低 TC4 板材的回弹，把回弹降低的原因归结为脉冲电流的热效应和非热效应对位错运动以及 α→β 相变的促进而引起的材料软化。XIE H 等 [30] 对 AZ31B 镁合金进行了脉冲电流辅助 V 型弯曲，使用强制空气冷却来保持试样温度为 100 ℃以研究脉冲频率和电流密度对回弹的影响。结果表明，回弹随脉冲频率和电流密度的增加而减少，这表明脉冲电流存在非热效应从而降低回弹。通过微观组织观察，发现脉冲电流降低回弹的原因可能是脉冲电流诱导晶粒尺寸的减小及孪晶数量的减少，因为这些组织变化有利于残余应力的释放。脉冲电流在不同的材料中，如 316L 不锈钢 [31] 和 6063 铝合金 [32]，都能有效降低弯曲成形力及回弹。
通过上述文献可知，目前电辅助成形的研究主要集中在通过模具设计实现局部加热成形，但是否需要根据材料的导电导热性能差异调整模具设计尚未有明确研究。对此，本文研究了 3 种不同电流路径及结构的电辅助弯曲模具对TA15钛合金 V 型弯曲成形的影响，通过对比温度分布、电流密度、成形极限和精度等因素，确定适合TA15钛合金成形的电辅助弯曲模具。
1 实验材料与成形工艺
1.1 实验材料
本文所用的TA15钛合金为宝钛集团有限公司提供的 2 mm 厚热轧退火板，弯曲试样为尺寸为 35 mm×10 mm×2 mm 的板条状试样。用金相法测得所用材料的 β 相转变温度为 980 ℃。原始板材的微观组织如图 1 所示，由图 1a（α 相反极图 IPF）和图 1b（β 相 IPF）可知，原始材料的微观组织为典型的等轴结构，由体积分数为 95.1% 的等轴 α 相以及分布在晶界的体积分数fβ为 4.9% 的 β 相组成。α 相和 β 相的平均尺寸d分别约为 3.0 μm 和 0.5 μm（图 1d 和图 1e）。图 1c 为原始材料的局部取向差图（Kernel Average Misorientation，KAM），KAM 被定义为 0°~5° 的平均局部取向差，可以用来直观地反映几何必须位错（Geometrically Necessary Dislocations，GNDs）的密度。由图 1c 可知，原始试样 KAM 图主要由 KAM 值较低的蓝色晶粒组成，其 α 相 KAM 平均值θ仅有 0.4°（图 1f），这表明试样内的 GNDs 较低，原始板材退火相对完全。
弯曲前施加 50 N 的预紧力使试样与模具接触良好，防止出现打火现象，弯曲实验的速度为50mm.min-1。TA15 钛合金的电流辅助弯曲的温度选择为 700 ℃。当温度达到后保温 30 s 再开始进行弯曲成形实验。具体的实验参数见表 1。
表 1 电流辅助TA15钛合金 V 型弯曲实验参数
Tab.1 Experimental parameters of current-assisted V-bending ofTA15titanium alloy
| 参数（Parameters） | 温度（Temperature）/℃ | 保温时间（Holding time）/s | 速度（Velocity）/（mm・min⁻¹） | 最大载荷（The maximum load）/N | 脉冲频率（Pulse frequency）/Hz | 占空比（Duty cycle）/% |
| 数值（Value） | 700 | 30 | 50 | 3000 | 100 | 20 |
1.2 电流辅助弯曲模具结构
本实验所用的TA15钛合金的电阻较大，导热较差。为了找到合适于TA15钛合金的电辅助弯曲成形装置，本实验探究了 3 种不同结构及电流路径的模具结构。模具的实物图及原理图如图 2 所示，为方便区分，将图 2a~ 图 2c 所示的 3 种弯曲模具分别定义为 A、B 和 C 模具。
A 和 B 模具结构主要包含绝缘装置、金属凸模、金属凹模以及电极。在电流路径方面，A 模具电源的正负极分别装于两个凹模上，电流从试样的一端流入，从试样的另一端流出，试样处于两个凹模间的部位会被加热，如图 2a 所示；B 模具电流路径是沿金属凸模流入到试样的中部，然后从试样两端经金属凹模流出，如图 2b 所示。C 模具是本文提出的一种新型电流辅助弯曲模具，其电流路径与 B 模具相同，但在凸模的结构上采用了 “金属主体 + 石墨圆角” 的复合设计方式，同时金属主体的侧壁涂覆有绝缘用的高温漆（图 2c）。A、B 和 C 这 3 种模具所用凸模的弯曲角度均为 31°，凸模圆角直径均为 Φ4 mm。弯曲实验过程中，试样的温度由红外测温仪测量并记录。
2、TA15钛合金电流辅助弯曲
2.1 弯曲过程中的加载曲线及温度变化
TA15 钛合金经不同弯曲模具进行 V 型弯曲时的载荷 - 位移曲线如图 3 所示，可以看出与室温弯曲相比，在脉冲电流及高温的作用下，电流辅助试样的弯曲载荷明显下降，所需的弯曲载荷只有 2000 N。不同弯曲模具的弯曲载荷 - 位移曲线相似，均由弯曲过程中载荷平稳变化以及零件与模具贴合后载荷陡增两部分组成。值得注意的是，室温弯曲及 A 模具弯曲的载荷 - 位移曲线均在载荷平稳变化区出现了明显的陡降，这是试样出现裂纹以及发生断裂的现象，相关证明将在后续的弯曲实物图中给出。
图 4 为TA15钛合金分别经 3 种模具弯曲时的热点（最高温度）随时间变化曲线，相应的电流密度也统计于图内。由图可知，在不同模具结构及电流路径下，脉冲电流都可在 15 s 左右将TA15钛合金试样加热至 700 ℃，但所需的电流密度有所不同：A 模具所需的电流密度最大，为\(30\ \text{A·mm}^{-2}\)；C 模具由于在凸模中引入石墨，大大降低了电流密度，仅需\(18.8\ \text{A·mm}^{-2}\)的电流密度即可将试样加热至 700 ℃。在随后的 30 s 温度稳定期内，3 种模具的试样温度都稳定在 700 ℃。弯曲开始后，试样的温度逐渐降低。造成该现象的主要原因是试样与模具的接触面积会随弯曲进程逐渐增大，这使得试样的热传导散热增强，从而导致试样温度下降。另一方面，需要注意的是，弯曲结束后试样与模具紧密接触，电流会直接通过弯曲试样的侧壁而绕过弯曲变形处形成回路，这将导致即使增大电流也无法提高弯曲变形处的温度。
考虑不同的电流路径及模具结构可能会导致试样内的温度分布不同，而温度分布会直接影响弯曲成形结果。为此，对 3 种模具下不同弯曲阶段试样内的温度分布进行统计并汇总于图 5。由图可知，电流路径及模具结构对试样的温度分布有很大影响。在保温阶段：A 模具试样中部（凸模圆角底部）的温度为 650 ℃左右，试样内的 700 ℃高温区分布于凸模圆角两侧，其总长度为 11.6 mm 左右；B 模具试样的 700 ℃高温区位于试样中部呈两侧对称分布，其长度较 A 模具试样的短，为 9.2 mm；C 模具试样的 700 ℃高温区也位于试样中部，但其长度最短，仅为 4.4 mm。在弯曲成形阶段，3 种模具下试样的最高温度都位于试样中部呈两侧对称分布，且随弯曲程度增加，试样温度都逐渐减小，但 B 和 C 模具试样的温度要高于 A 模具试样。弯曲结束时，A、B 和 C 模具试样的最高温度分别为 242 ℃、377 ℃和 363 ℃。TA15 钛合金板材在 3 种弯曲模具下呈现出的温度分布差异必然会对弯曲成形结果产生影响。因此，接下来将对比 3 种弯曲模具成形件的差异。
2.2 成形极限及精度
图 6 为TA15钛合金分别经室温弯曲以及 3 种不同模具弯曲后的实物图。从图 6a 可以看出，由于TA15钛合金的室温塑性较差，在室温弯曲至 146° 时，试样的弯角外侧已产生了裂纹，继续弯曲至 31° 时，试样断裂，该现象也验证了图 3 中室温弯曲加载曲线陡降的原因是试样出现裂纹并发生断裂。
对TA15钛合金进行电流辅助弯曲，如图 6b 所示，当采用 A 模具弯曲时，试样虽未断裂，但在弯角外侧有明显的裂纹，这与图 3 中 A 模具弯曲加载曲线存在陡降的现象相对应。采用 B 模具弯曲时，如图 6c 所示，试样未产生裂纹，其弯曲内角半径为 1.8 mm，与模具尺寸相当，但试样回弹严重，其回弹角可达近 6°，这对零件的尺寸精度影响巨大。采用 C 模具弯曲时，如图 6d 所示，试样未产生裂纹，但回弹相较 B 模具弯曲试样的更大，其回弹角可达近 13°，且试样弯曲内角半径仅为 0.8 mm，与模具尺寸相差 60%，其尺寸精度更差。
考虑试样的温度分布会对弯曲过程产生重要影响，结合上述弯曲过程中试样的温度分布结果（图 5），可以推测经 A 模具弯曲的试样产生裂纹的原因应是试样主要变形区（试样中部）的温度较低，随着弯曲的进行，试样弯角处的温度会进一步下降，而钛合金的低温塑性较差，从而导致试样产生裂纹。而经 C 模具弯曲试样的弯曲内角直径较小、回弹较大的原因是试样中部的 700 ℃高温区长度较短，导致试样弯曲时应变只集中在这个较短的区域，从而使试样发生了对折变形而并非贴合凸模弯角进行变形。此外，经 3 种模具弯曲后，试件的回弹角都较大是由于成形过程中试样温度逐渐降低所致的。综上所述，TA15 钛合金在进行电流辅助弯曲时，高温成形区分布的位置以及长度会对成形结果产生重要影响，通过合理的模具结构及电流路径设计保证高温区位于试样变形区中部且有合适的长度是提高成形极限和精度的关键。通过综合考虑弯曲试样的回弹大小及弯角精度，B 模具更适合TA15钛合金的弯曲成形。
2.3 弯曲成形后的组织形貌
图 7 为TA15钛合金经 B 模具弯曲后试样不同位置的 EBSD 结果。由图 7 中 IPF 可知，弯角外侧由于受拉应力，原始等轴晶粒沿拉应力方向（水平方向）被拉长；弯角内侧由于受压应力，原始等轴晶粒沿垂直于压应力方向（竖直方向）被拉长。弯曲后，在高温及脉冲电流作用下，试样弯角部位发生了明显的 α→β 相变，其内外侧的 β 相含量分别为 9.4% 和 8.9%（图 7 中相分布图），高于试样侧壁未发生变形区的 4.8%，这证明了脉冲电流辅助成形可实现对局部变形区域的组织调控。
由图 7 中弯曲试样不同区域内 α 相和 β 相的 KAM 分布图可知，弯角内外侧区域内 α 相和 β 相的 KAM 平均值都远高于侧壁未变形区域内的 KAM 值，这意味着电流辅助弯曲成形时，试样内未发生完全动态回复，使试样的弯角变形处累积了大量塑性变形后产生的位错，这意味着弯角处有较高的残余应力，会促使试样在卸载后发生回弹。
3、结论
(1)TA15钛合金室温塑性较差，室温下板材弯曲至 146° 时，试样就会产生裂纹。而采用电流辅助弯曲工艺，可实现试样成形区的局部加热（模具置于室温环境），在高温及脉冲电流作用下，可将试样弯曲成形至 31°，显著提高试样的成形极限。
(2) 电流辅助弯曲时，在弯曲前的保温阶段，保证试样内高温区有合适的长度以及使其均匀分布于试样成形区是提高成形极限的关键。而模具结构、电流路径以及试样的本征性能（热导率和电导率）会显著影响试样内高温区分布的位置及长度。对于钛合金这种电阻大但导热差的金属而言，选用电流从凸模引入的 B 弯曲模具可有较好的高温区分布及成形结果。
(3) 本文所设计的电流辅助模具是在电辅助弯曲模具上增加了改进电极，克服了电辅助弯曲时的电流绕流问题，可将试样的弯曲变形处加热至热处理温度，有效消除了试样回弹，实现了高精度成形。
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（注，原文标题：TA15钛合金电流辅助V型弯曲成形工艺研究）
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