編者(zhe)按：由我(wo)(wo)會(hui)(hui)遴選推薦(jian)的“特種能場輔(fu)助制造(zao)的科(ke)學(xue)原理是什么？”入選中國科(ke)協(xie)2020年10個重大科(ke)學(xue)問題(ti)之一并(bing)在(zai)中國科(ke)協(xie)年會(hui)(hui)上發布。針對該問題(ti)的科(ke)學(xue)研究(jiu)進(jin)展和(he)工程應用情(qing)況我(wo)(wo)會(hui)(hui)將(jiang)予以(yi)持續(xu)跟蹤和(he)介紹(shao)。本文所介紹(shao)的即為上海交(jiao)通大學(xue)模具CAD國家工程研究(jiu)中心李細鋒教授團隊在(zai)鈦合(he)金環段電輔(fu)助拉深成(cheng)形與變形缺陷(xian)修復等(deng)方面的研究(jiu)進(jin)展。

　　鈦合(he)金環段電(dian)輔(fu)助拉深成形新工藝

　　鈦合(he)(he)金(jin)具有強度(du)高(gao)(gao)(gao)、耐(nai)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)和耐(nai)腐(fu)蝕(shi)等優異的(de)綜合(he)(he)性(xing)能(neng)，應用(yong)于輕量化(hua)、高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)和強腐(fu)蝕(shi)環(huan)境，通(tong)常(chang)被加工成(cheng)(cheng)(cheng)各(ge)種特殊形(xing)狀零部件以(yi)滿足(zu)航空航天、醫療(liao)和化(hua)工等領(ling)域(yu)的(de)需求(qiu)。但在(zai)室溫(wen)(wen)(wen)下(xia)，鈦合(he)(he)金(jin)的(de)塑(su)(su)(su)(su)性(xing)低、成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)性(xing)差，在(zai)大塑(su)(su)(su)(su)性(xing)變形(xing)下(xia)會產生(sheng)裂紋、嚴(yan)重(zhong)回彈等缺陷，所以(yi)室溫(wen)(wen)(wen)下(xia)塑(su)(su)(su)(su)性(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)效果不佳，難以(yi)滿足(zu)航空航天領(ling)域(yu)復(fu)雜構(gou)件控(kong)形(xing)控(kong)性(xing)的(de)要(yao)求(qiu)，因此，經常(chang)采用(yong)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)方法(fa)制造(zao)鈦合(he)(he)金(jin)零件。但是高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)的(de)周期長、工況復(fu)雜、能(neng)耗高(gao)(gao)(gao)，成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)件晶粒粗大、表面氧化(hua)嚴(yan)重(zhong)；并且，因為模具材(cai)料需滿足(zu)耐(nai)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)和耐(nai)氧化(hua)等要(yao)求(qiu)，會顯著(zhu)增加了制造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)本。既然(ran)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)無法(fa)滿足(zu)節能(neng)環(huan)保、低成(cheng)(cheng)(cheng)本的(de)需求(qiu)，研究者們自(zi)然(ran)將目(mu)光回歸特種塑(su)(su)(su)(su)性(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)（后特指電致塑(su)(su)(su)(su)性(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)），思(si)考如何在(zai)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)過(guo)程中改善或(huo)者解(jie)決(jue)各(ge)種成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)缺陷。

　　自(zi)從(cong)以(yi)(yi)Conrad為代(dai)表的學者（1978年）開始(shi)研究包括鈦合(he)金(jin)(jin)在內的多種金(jin)(jin)屬(shu)的電(dian)(dian)(dian)塑性(xing)以(yi)(yi)來(lai)，近60年的研究表明，給(gei)金(jin)(jin)屬(shu)通(tong)電(dian)(dian)(dian)流，一定程度上可(ke)修(xiu)復缺陷，促進其再結晶，推動位錯和晶界運動，增強(qiang)金(jin)(jin)屬(shu)塑性(xing)。在不(bu)同(tong)的電(dian)(dian)(dian)致塑性(xing)成(cheng)形工(gong)藝基礎上，通(tong)過調節(jie)電(dian)(dian)(dian)流的大小、頻率、通(tong)電(dian)(dian)(dian)時間、波形等，發展出一系列不(bu)同(tong)的電(dian)(dian)(dian)輔(fu)助成(cheng)形工(gong)藝，電(dian)(dian)(dian)輔(fu)助拉深成(cheng)形就是其中的一種。

　　在無電(dian)輔(fu)助(zhu)的(de)(de)情(qing)況下，冷成(cheng)形(xing)(xing)方式制造的(de)(de)TC4 鈦(tai)合金(jin)環段(duan)(duan)截(jie)面不光順，起(qi)皺嚴重，無法滿足使用要求。上海交通大學李(li)細鋒團(tuan)隊(dui)通過數值模擬(ni)、模具設(she)計和工藝驗證的(de)(de)方式，提(ti)出鈦(tai)合金(jin)環段(duan)(duan)脈(mo)沖(chong)電(dian)流(liu)輔(fu)助(zhu)拉(la)(la)深(shen)成(cheng)形(xing)(xing)工藝（圖(tu)1）。使用低(di)壓大電(dian)流(liu)脈(mo)沖(chong)設(she)備（12V/20000A）對(dui)450mm×275mm×1mm 的(de)(de)TC4鈦(tai)合金(jin)坯(pi)料加以1500A 的(de)(de)脈(mo)沖(chong)電(dian)流(liu)和1.5V 電(dian)壓，在1min 中(zhong)內(nei)升溫到所需的(de)(de)600℃左右，6min 內(nei)完成(cheng)鈦(tai)合金(jin)環段(duan)(duan)電(dian)輔(fu)助(zhu)成(cheng)形(xing)(xing)工序。對(dui)比(bi)TC4 鈦(tai)合金(jin)環段(duan)(duan)冷成(cheng)形(xing)(xing)和電(dian)輔(fu)助(zhu)拉(la)(la)深(shen)成(cheng)形(xing)(xing)結(jie)果，電(dian)輔(fu)助(zhu)成(cheng)形(xing)(xing)環段(duan)(duan)截(jie)面光順，沒有明(ming)顯起(qi)皺，成(cheng)形(xing)(xing)效率高(gao)(gao)。通過鈦(tai)合金(jin)環段(duan)(duan)尺寸精(jing)度的(de)(de)測(ce)量，可以看(kan)出電(dian)輔(fu)助(zhu)成(cheng)形(xing)(xing)的(de)(de)精(jing)度明(ming)顯提(ti)高(gao)(gao)，避免了起(qi)皺和回彈大等(deng)缺陷（圖(tu)2）。

　　團(tuan)隊還(huan)研究了脈沖(chong)電流對(dui)鈦合金預制缺陷和耐腐蝕(shi)性能(neng)的影響規(gui)律。

　　脈沖電流對鈦合金組織性能特征的影(ying)響

　　1.對(dui)預(yu)制缺(que)陷的修(xiu)復

　　將TC4薄板在常溫下預變形拉伸10% 后，內部存在均勻分布的亞微米級孔洞，孔洞所占體積分數約為2.21%。控制脈沖電壓40V和通電時間30s對預變形試樣分別進行不同頻率的通電處理。頻率為120Hz時，孔洞數量開始減小，單個孔洞尺寸也有減小；頻率為140Hz時，孔洞變化趨勢延續，并且程度顯著加劇，形狀趨于球形；當頻率繼續升高為160Hz時，孔洞所占體積分數反而減少，且局部區域出現大尺寸孔洞，如圖3所示。

　　孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)變小得以彌合(he)，一般認為有(you)兩種機制：一種是原(yuan)子的擴(kuo)散填充，脈(mo)沖電(dian)(dian)流(liu)促(cu)進原(yuan)子填入(ru)孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)中；另一種是熱(re)(re)壓合(he)機制，孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)區域電(dian)(dian)阻較大(da)，焦耳(er)熱(re)(re)較高(gao)，導(dao)致材料(liao)內(nei)部發生膨(peng)脹(zhang)，但孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)外側基(ji)體限(xian)制了(le)孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)向外的膨(peng)脹(zhang)，故而(er)孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)向內(nei)膨(peng)脹(zhang)，處于熱(re)(re)壓縮狀態。而(er)孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)在(zai)(zai)160Hz電(dian)(dian)流(liu)下(xia)反(fan)而(er)體積擴(kuo)大(da)、占(zhan)比增加的現(xian)象，研究者認為是原(yuan)子在(zai)(zai)到達(da)孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)表面前，就被更高(gao)頻率的電(dian)(dian)流(liu)轟擊導(dao)致離開。因此，為了(le)彌合(he)和減(jian)少孔(kong)(kong)洞(dong)(dong)，應當選(xuan)取最佳的脈(mo)沖電(dian)(dian)流(liu)頻率，并非頻率越高(gao)越好。

　　2.對耐腐蝕性的影響

　　與(yu)對孔洞影響(xiang)類似，脈沖電流頻(pin)率對退(tui)火態TC4鈦(tai)合金耐腐蝕性(xing)能(neng)的(de)(de)影響(xiang)體現出(chu)單峰性(xing)。在200Hz電流下(xia)，耐腐蝕性(xing)能(neng)最(zui)佳。究其原因，是溫(wen)(wen)度(du)不(bu)同(tong)引起的(de)(de)。200Hz時(shi)(shi)，最(zui)高(gao)溫(wen)(wen)度(du)為(wei)457℃，退(tui)火態TC4中(zhong)的(de)(de)少(shao)量亞穩(wen)相(xiang)開(kai)始(shi)轉變，短時(shi)(shi)內(nei)使TC4的(de)(de)組(zu)織更(geng)加(jia)(jia)穩(wen)定。頻(pin)率增(zeng)加(jia)(jia)到300Hz時(shi)(shi)，溫(wen)(wen)度(du)達到728℃，TC4開(kai)始(shi)發生靜態再結晶(jing)，由于(yu)溫(wen)(wen)度(du)相(xiang)對較(jiao)低(di)，結晶(jing)不(bu)充分(fen)，產(chan)生大量處于(yu)結晶(jing)預(yu)備(bei)期的(de)(de)亞晶(jing)粒和(he)胞(bao)狀(zhuang)亞結構，這些亞穩(wen)態結構活(huo)性(xing)較(jiao)高(gao)，更(geng)容(rong)易(yi)被腐蝕。頻(pin)率繼續增(zeng)加(jia)(jia)到400Hz，溫(wen)(wen)度(du)升高(gao)至792℃時(shi)(shi)，觀察到鑲塊式的(de)(de)再結晶(jing)晶(jing)粒，受腐蝕更(geng)為(wei)嚴重(zhong)。當頻(pin)率繼續升高(gao)到500Hz時(shi)(shi)，溫(wen)(wen)度(du)達到851℃，亞穩(wen)態組(zu)織更(geng)容(rong)易(yi)作(zuo)為(wei)形(xing)核基體發生點蝕，因此TC4 的(de)(de)耐腐蝕性(xing)能(neng)急(ji)劇下(xia)降。

　　展望

　　在傳統成(cheng)形(xing)(xing)工藝基礎上(shang)加脈沖(chong)電流外能場(chang)(chang)(chang)相(xiang)復合(he)(he)，是對現(xian)有(you)成(cheng)形(xing)(xing)方(fang)法(fa)的(de)補(bu)充與改善。研(yan)(yan)究表明，電輔助成(cheng)形(xing)(xing)不同于傳統的(de)熱成(cheng)形(xing)(xing)工藝，在降低成(cheng)形(xing)(xing)力、提高成(cheng)形(xing)(xing)極(ji)限與精度等方(fang)面比傳統熱成(cheng)形(xing)(xing)具有(you)更佳效(xiao)果(guo)。未來，成(cheng)形(xing)(xing)技(ji)術研(yan)(yan)究方(fang)向將朝向多(duo)個能場(chang)(chang)(chang)耦合(he)(he)，例如(ru)將電場(chang)(chang)(chang)與電磁場(chang)(chang)(chang)復合(he)(he)，開(kai)展(zhan)鋁(lv)(lv)合(he)(he)金(jin)材(cai)料(liao)(liao)的(de)板管快速高效(xiao)成(cheng)形(xing)(xing)；將超聲場(chang)(chang)(chang)與電場(chang)(chang)(chang)復合(he)(he)，開(kai)展(zhan)鋁(lv)(lv)合(he)(he)金(jin)或鎂合(he)(he)金(jin)的(de)擴(kuo)散連接成(cheng)形(xing)(xing)，突破(po)鋁(lv)(lv)合(he)(he)金(jin)或鎂合(he)(he)金(jin)氧化膜問(wen)題阻礙(ai)其擴(kuo)散連接技(ji)術發展(zhan)的(de)瓶頸。合(he)(he)理利用(yong)多(duo)能場(chang)(chang)(chang)與材(cai)料(liao)(liao)相(xiang)互作用(yong)的(de)多(duo)種效(xiao)應，突破(po)高強難(nan)成(cheng)形(xing)(xing)材(cai)料(liao)(liao)的(de)制造難(nan)題，將極(ji)大地促進先進制造技(ji)術的(de)發展(zhan)和應用(yong)。